FR3041631A1 - Materiau poreux en ceramique pour revetement d'une piece et procede de fabrication de ce materiau - Google Patents

Abstract

Un procédé de fabrication (P1) d'un matériau poreux en céramique pour un revêtement d'une pièce comprend les étapes suivantes : a) on fournit (200) un support poreux (20) comprenant des pores ouverts (21) ; b) on imprègne (300) le support poreux (20) d'une barbotine de céramique (30) comprenant un solvant (31) et des particules de céramique (32) ; c) on effectue (400) un traitement thermique comprenant au moins une période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux (20) imprégné de la barbotine de céramique à une température suffisamment élevée pour fritter les particules de céramique (32). Le matériau obtenu par le procédé peut être utilisé pour former un revêtement sur une pièce de turbomachine ou de tuyère de turboréacteur.

Description

MATÉRIAU POREUX EN CÉRAMIQUE POUR REVÊTEMENT D'UNE PIÈCE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION DE CE MATÉRIAU

Arrière-plan de l’invention

La présente invention concerne un matériau poreux en céramique pour un revêtement d'une pièce, notamment pour un revêtement d'une pièce de turbomachine.

On rappelle qu'une turbomachine est une machine comprenant un rotor animé d'un mouvement de rotation par rapport à un stator, et dans laquelle il se produit un échange d'énergie entre un fluide (généralement un gaz) et la pièce animée d'un mouvement de rotation. On rappelle également que, dans une turbomachine, une partie du rotor peut frotter contre le stator ; par exemple, une aube mobile peut venir frotter contre la face intérieure d'un carter fixe.

Un turboréacteur tel que les turboréacteurs double flux utilisés sur de nombreux aéronefs est constitué de plusieurs turbomachines, à savoir, en suivant le sens d'écoulement des gaz, une soufflante, plusieurs étages de compresseur basse pression, de compresseur intermédiaire, et/ou de compresseur haute pression et plusieurs turbines entraînant les étages de compresseur et la soufflante. En outre, les gaz chauds expulsés par les turbines sont canalisés par une tuyère.

De nombreuses pièces de turbomachines, ainsi que des pièces constituant les tuyères de turboréacteur, sont aujourd'hui pourvues de revêtements. Par « revêtement », on entend désigner une couche substantiellement continue d'un matériau, cette couche étant interposée entre la pièce qu'elle recouvre et le fluide circulant à travers la turbomachine ou la tuyère. Un revêtement peut être constitué d'un matériau différent du matériau de la pièce qu'il recouvre. Un revêtement peut aussi être divisé en plusieurs sous-éléments qui, ensemble, recouvrent la pièce.

La plupart des revêtements utilisés aujourd'hui dans les turboréacteurs sont des revêtements entièrement en métal ou comprenant une proportion importante en masse de métal.

Or, dans l'intérêt de l'efficacité énergétique des turboréacteurs, on souhaite aujourd'hui alléger le plus possible leurs pièces constituantes.

Il existe donc un besoin de matériaux pour revêtements de pièces de turbomachine ou de tuyères qui soient plus légers.

En outre, certains revêtements particuliers présentent d'autres inconvénients que leur masse élevée. C'est notamment le cas des revêtements en matériau abradable (qualifiés dans la suite de « revêtements abradables ») qui sont couramment utilisés dans les turbomachines.

Dans l'intérêt de l'efficacité énergétique de la turbomachine, il est en effet important de minimiser les fuites de gaz qui existent entre les parties fixes et les parties tournantes, car ces fuites diminuent le débit et la pression des gaz comprimés à travers la turbomachine et font perdre une partie du travail mécanique utile. Ces fuites sont une conséquence de la nécessité de tenir compte des tolérances géométriques des pièces constituant le rotor et le stator, et de la dilatation thermique et du fluage de ces pièces pendant le fonctionnement de la turbomachine.

Pour minimiser ces fuites, la solution actuellement utilisée consiste à minimiser la distance entre l'extrémité des aubes et le carter, en installant un revêtement constitué d'un matériau tendre dans le logement du carter, au droit des aubes. Ce matériau est abradable, ce qui signifie qu'il a pour propriété d'être creusé par l'extrémité de l'aube en cas de contact. Ainsi, l'aube n'est pas endommagée lorsqu'elle frotte contre le matériau abradable ; et du fait de l'usure du matériau abradable, l'espace entre l'extrémité de l'aube et la surface interne du carter s'établit spontanément à une valeur minimale.

Parmi les revêtements abradables utilisés dans une turbomachine comme un compresseur de turboréacteur, on connaît notamment des revêtements obtenus par projection thermique d'une poudre composée d'une partie métallique en alliage aluminium-silicium et une partie organique en résine, la résine étant par exemple une résine de polyester.

Un inconvénient de ces revêtements est que l'aluminium est sensible aux phénomènes d'auto-inflammation, et donc de déflagration, pendant le fonctionnement du compresseur. Ces phénomènes peuvent conduire à une usure accélérée du revêtement abradable et des pièces environnantes dans la turbomachine.

Or, on cherche de plus en plus à augmenter les températures et les pressions de fonctionnement des turbomachines, notamment dans les compresseurs haute pression et les turbines de turboréacteurs. Une température et une pression de fonctionnement accrues augmentent le risque d'auto-inflammation. Par conséquent, on s'attend à ce que les matériaux abradables qui viennent d'être mentionnés soient de plus en plus susceptibles de subir des phénomènes d'auto-inflammation et de déflagration.

Un autre type de revêtement abradable connu est obtenu par injection ou collage d'une résine de silicone chargée en billes de verre creuses, le verre étant un verre borosilicate ou un verre aluminosilicate.

Un inconvénient de ces revêtements abradables est que, en cas de forte abrasion du revêtement, les billes peuvent se désolidariser de la résine de silicone et être entraînées dans le flux de gaz jusqu'à la turbine, puis se loger dans les conduits de ventilation des aubes et des distributeurs de turbine.

Dans cette situation, les billes en verre borosilicate peuvent devenir pâteuses à des températures supérieures à 700°C, et ainsi s'accrocher sur les parois internes des conduits de ventilation. Des particules de silice contenues dans la résine de silicone peuvent ensuite venir s'accrocher dans le verre borosilicate partiellement fondu.

Les billes en verre aluminosilicate ne fondent généralement pas, mais leurs débris peuvent avoir une taille suffisante pour obturer un conduit de ventilation.

Ainsi, avec ce type de matériau, il existe un risque d'endommagement et/ou d'obturation partielle ou totale des conduits de ventilation, et donc de brûlure et/ou de fusion locale des aubes et des distributeurs de turbines.

Il existe donc un besoin de revêtements abradables qui sont non-déflagrants et qui ne sont pas susceptibles de provoquer l'obturation de conduits de refroidissement situés en aval dans une turbomachine. D'autres revêtements présentant des inconvénients sont les revêtements de dissipation du bruit (qualifiés dans la suite de « revêtements acoustiques »). De tels revêtements sont notamment installés sur la périphérie d'une tuyère de turboréacteur car ils présentent la propriété d'amortir et de dissiper les ondes sonores dans les gaz chauds circulant à travers la tuyère, ces ondes sonores étant responsables d'une partie du bruit produit par le turboréacteur.

De manière classique, on utilise pour ces revêtements des alliages métalliques, par exemple des alliages du type Inconel. Ces alliages ont l'inconvénient d'être lourds et coûteux.

De plus, toujours afin d'alléger les turboréacteurs, on désire de plus en plus remplacer les pièces métalliques de tuyères par des pièces en composite à matrice céramique (Ceramic Matrix Composite ou CMC en anglais). Or, de tels composites sont peu compatibles avec des revêtements en alliage métallique, notamment parce que leur coefficient de dilatation thermique est très différent du coefficient de dilatation thermique des alliages métalliques, et parce que les interactions physicochimiques à l'interface entre le CMC et les alliages métalliques sont mal connues.

Il existe donc un besoin de revêtements acoustiques en céramique, de préférence réalisés dans la même céramique que les pièces en CMC de tuyère qu'ils recouvrent.

Objet et résumé de l’invention

La présente invention vise à répondre au moins partiellement à tout ou partie de ces besoins, en fournissant un procédé de fabrication d'un matériau poreux en céramique pour un revêtement d'une pièce comprenant les étapes suivantes : a) on fournit un support poreux comprenant des pores ouverts ; b) on imprègne le support poreux d'une barbotine de céramique comprenant un solvant et des particules de céramique ; c) on effectue un traitement thermique comprenant au moins une période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une température suffisamment élevée pour fritter les particules de céramique.

La pièce peut être une pièce de turbomachine ou une pièce de tuyère de turboréacteur.

Selon l'invention, le traitement thermique provoque un frittage des particules de céramique, de sorte que les particules de céramique se consolident progressivement jusqu'à former une structure poreuse en céramique. On obtient ainsi un matériau comprenant une structure poreuse en céramique, laquelle peut éventuellement contenir des résidus du support poreux. Ce matériau est plus léger que les matériaux des revêtements pré-cités de l'état de la technique.

De plus, ce matériau présente des avantages aussi bien en tant que matériau pour revêtement abradable qu'en tant que matériau pour revêtement acoustique.

En effet, la structure poreuse en céramique étant peu réactive chimiquement, le matériau obtenu par le procédé de l'invention est peu sensible aux phénomènes d'auto-inflammation et de déflagration. De plus, lorsque le matériau est usé par le contact avec les aubes, les particules de céramique frittées qui s'en détachent n'ont pas une taille suffisante pour obturer des conduits de refroidissement, et ne sont pas susceptibles de fondre ou de devenir pâteuses et d'endommager des conduits de refroidissement. Le matériau obtenu par le procédé de l'invention peut donc être avantageusement utilisé en tant que matériau pour revêtement abradable.

On notera que le caractère abradable du matériau est dû à la porosité de la structure poreuse en céramique, et peut être modulé en changeant la porosité du support poreux, qui influence la porosité de la structure poreuse en céramique. Le caractère abradable dépend également des conditions du frittage, et notamment de la température. Un frittage à une température plus élevée tend à donner un matériau dont la résistance mécanique est plus élevée et qui est donc moins abradable.

Un autre avantage du matériau obtenu par le procédé de l'invention est que la structure poreuse en céramique présente une faible conductivité thermique, d'autant plus faible que sa porosité est importante. Cette faible conductivité thermique permet de réduire les jeux entre les pièces de turbomachine recouvertes du revêtement abradable et les pièces situées en regard du revêtement abradable, ce qui est bénéfique pour l'efficacité énergétique de la turbomachine.

Par ailleurs, le procédé selon l'invention permet de réaliser un matériau poreux dans un grand nombre de céramiques couramment utilisées dans les pièces en CMC. Le matériau obtenu par le procédé de l'invention peut donc être avantageusement utilisé en tant que matériau pour revêtement acoustique.

On notera que les propriétés acoustiques du matériau peuvent être modulées en changeant la porosité du support poreux et les conditions du frittage. Un matériau plus poreux et à dimensions de porosité contrôlées conduira à un matériau acoustique qui est plus à même de dissiper les ondes sonores.

Dans un mode de mise en oeuvre, le traitement thermique comprend au moins une première période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une première température suffisamment élevée pour fritter partiellement les particules de céramique, et au moins une seconde période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une deuxième température strictement supérieure à la première température.

Le fait de maintenir le support poreux à la première température pendant une première période de temps permet de consolider partiellement les particules de céramique maintenues en place par le support poreux. Le fait de maintenir le support poreux à la deuxième température, plus élevée, pendant une seconde période de temps permet de consolider davantage les particules de céramique. On obtient donc un matériau abradable comprenant une structure poreuse en céramique, les pores de la structure poreuse en céramique correspondant aux espaces initialement occupés par le support poreux. La structure poreuse en céramique peut comprendre ou non des résidus du support poreux.

Dans un mode de mise en œuvre, la première température est inférieure ou égale à 350°C, et la deuxième température est comprise entre 500°C et 1600°C. Préférentiellement, la deuxième température est comprise entre 500°C et 1500°C.

Dans un mode de mise en œuvre, la deuxième température est suffisante pour provoquer une dégradation du support poreux, par exemple par pyrolyse.

On obtient alors un matériau comprenant essentiellement une structure poreuse en céramique, le support poreux ne subsistant au plus que sous forme de résidus, s'il n'a pas été complètement dégradé.

Dans un mode de mise en œuvre, le support poreux comprend une mousse en résine.

La résine est susceptible d'être dégradée, par exemple par pyrolyse, pendant le traitement thermique. On peut ainsi obtenir une structure poreuse en céramique contenant une quantité faible ou nulle de résidus carbonés. Ces résidus carbonés, s'il en reste dans le matériau, n'influencent pas négativement les propriétés mécaniques et acoustiques du matériau.

Dans un mode de mise en oeuvre, la mousse en résine est une mousse de polyamide ou une mousse de polyimide.

Ces mousses sont particulièrement bien adaptées au procédé de l'invention dans la mesure où elles conservent leur forme pendant la ou les périodes de temps du traitement thermique qui conduisent à la consolidation partielle des particules de céramique (par exemple, à une température inférieure ou égale à 350°C), puis se dégradent par pyrolyse pendant la ou les périodes de temps suivantes (par exemple, à une température comprise entre 500°C et 1600°C).

Dans un mode de mise en œuvre, les particules de céramique comprennent des grains d'une poudre d'oxyde métallique ou d'un mélange de poudres d'oxydes métalliques.

La structure poreuse en céramique obtenue par le procédé est alors peu réactive chimiquement et en particulier très peu sensible à la corrosion, ce qui évite une usure prématurée du matériau.

Dans un mode de mise en œuvre, la poudre d'oxyde métallique est une poudre d'alumine (Al203) ou de zircone (Zr02).

Dans un mode de mise en œuvre, pour imprégner le support poreux de barbotine de céramique, on plonge le support poreux dans la barbotine de céramique.

Un avantage de cette méthode est qu'elle est rapide et simple à mettre en œuvre. En particulier, elle ne nécessite pas d'équipement d'injection coûteux, ce qui réduit le coût de production du matériau abradable.

Dans un mode de mise en œuvre, après avoir plongé le support poreux dans la barbotine de céramique, on place le support poreux ainsi imprégné dans une enceinte sous vide.

Ceci provoque une infiltration plus rapide de la barbotine et permet d'imprégner de manière simple et sûre le support poreux de barbotine, sans équipement coûteux du type Resin Transfer Molding (RTM). Le coût de production du matériau abradable est donc diminué.

Dans un mode de mise en œuvre, la barbotine de céramique comprend en outre un liant organique.

Le liant organique permet d'améliorer la tenue des particules de la barbotine dans les pores du support poreux, avant le traitement thermique et aussi après l'évaporation du solvant. Ceci améliore la tenue de la barbotine pendant les manipulations du support poreux, et la résistance mécanique du matériau.

Dans un mode de mise en oeuvre, avant de procéder au traitement thermique, on provoque l'évaporation du solvant.

La présente invention concerne également un procédé d'apport d'un revêtement en matériau poreux en céramique sur une pièce, comprenant les étapes suivantes : on fournit une pièce et un support poreux comprenant des pores ouverts ; on imprègne le support poreux d'une barbotine de céramique comprenant un solvant et des particules de céramique ; et on effectue un traitement thermique pendant lequel : on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une première température suffisamment élevée pour fritter partiellement les particules de céramique pendant au moins une période de temps ; on dispose le support poreux sur la pièce ; on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une deuxième température strictement supérieure à la première température pendant au moins une période de temps.

Ce procédé permet d'obtenir le matériau poreux en céramique qui vient d'être décrit dans un état où il est directement fixé sur la pièce, sans avoir à recourir à un procédé de fixation supplémentaire, tel qu'un collage.

Dans un mode de mise en œuvre, après avoir effectué le traitement thermique, on étale une couche supplémentaire de barbotine de céramique sur le matériau poreux en céramique, et on procède à un traitement thermique supplémentaire afin de fritter les particules de céramique contenues dans la couche supplémentaire de barbotine.

On obtient ainsi une couche lisse de rugosité faible en surface du matériau. Ainsi, comme cela est expliqué dans le document brevet FR 2 994 397 Al au nom de la demanderesse, on améliore les propriétés aérodynamiques du matériau, ce qui améliore l'efficacité énergétique de la turbomachine, en particulier lorsque le matériau est utilisé en tant que matériau pour revêtement abradable. Cette couche lisse n'influence pas significativement les propriétés mécaniques et acoustiques du matériau.

La présente invention fournit également un matériau comprenant une céramique poreuse constituée de particules de céramique frittées, dans lequel les particules de céramique sont par exemple des particules à base d'alumine ou de zircone. Le matériau selon l'invention est non-déflagrant et ne contient pas d'éléments susceptibles de provoquer l'obturation de conduits de refroidissement situés en aval dans une turbomachine, et peut donc être avantageusement utilisé en tant que matériau pour revêtement abradable. On envisage notamment que le matériau selon l'invention soit utilisé pour former un revêtement abradable sur une pièce de turbomachine, et plus particulièrement pour former un élément de revêtement abradable disposé sur le stator ou le rotor d'une machine tournante, par exemple en regard d'une aube mobile sur la face radialement intérieure d'un carter de turbomachine.

Le matériau selon l'invention peut aussi être avantageusement utilisé en tant que matériau pour revêtement acoustique. En effet, il présente un réseau ouvert de pores apte à contribuer à la dissipation du bruit. De plus, la répartition et les dimensions des pores du matériau peuvent être contrôlées, en modifiant les conditions de mise en œuvre du procédé, afin d'obtenir les propriétés de dissipation du bruit désirées. On envisage notamment que le matériau selon l'invention soit utilisé pour former un revêtement acoustique sur une pièce de tuyère de turboréacteur, cette pièce étant avantageusement en CMC.

En outre, le matériau selon l'invention peut être avantageusement utilisé pour former un revêtement sur une pièce quelconque en CMC.

Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit de plusieurs modes de réalisations, représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe axiale schématique d'un turboréacteur comprenant au moins un revêtement constitué du matériau obtenu selon le procédé de l'invention ; - la figure 2A est une vue en perspective du détail II de la figure 1 et représente schématiquement une turbomachine comprenant au moins un élément constitué du matériau obtenu selon le procédé de l'invention, le matériau étant utilisé pour former un revêtement abradable ; - la figure 2B est une vue d'un détail B de la figure 2A ; - la figure 3 est une vue du détail III de la figure 1 et représente schématiquement une partie de tuyère pourvue d'un élément constitué du matériau obtenu selon le procédé de l'invention, le matériau étant utilisé pour former un revêtement acoustique ; - la figure 4 est un diagramme-blocs représentant les étapes d'un procédé de fabrication d'un matériau poreux en céramique pour un revêtement d'une pièce selon l'invention ; - la figure 5A est une photographie d'un support poreux utilisable pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention ; - la figure 5B est une photographie d'une coupe du support poreux de la figure 5A ; - la figure 5C est une vue schématique en section du détail C de la figure 5B ; - la figure 5D représente le support poreux de la figure 5B après que celui-ci a été imprégné de barbotine de céramique ; - la figure 5E représente le support poreux de la figure 5B après que celui-ci a été soumis à un traitement thermique ; - la figure 5F est une photographie du support poreux de la figure 5A après que celui-ci a été imprégné de barbotine de céramique puis soumis à une première température ; - la figure 5G est une photographie du support poreux de la figure 5A après que celui-ci a été soumis à une deuxième température ; - la figure 6 représente l'évolution de la température pendant le traitement thermique ; - la figure 7 est un diagramme-blocs représentant les étapes d'un procédé d'apport d'un revêtement en matériau poreux en céramique sur une pièce selon l'invention ; - la figure 8A représente le matériau abradable de l'invention fixé sur un élément d'une turbomachine, et recouvert d'une couche supplémentaire de barbotine ; - la figure 8B représente le matériau abradable de la figure 8A après que celui-ci a été soumis à un traitement thermique supplémentaire.

Description détaillée de l'invention

Des exemples de réalisation sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Ces exemples illustrent les caractéristiques et les avantages de l'invention.

La figure 1 représente schématiquement en coupe axiale un turboréacteur double flux 1. L'invention ne se limite toutefois pas au cadre d'un tel turboréacteur.

Le turboréacteur 1 comprend, en suivant le sens d'écoulement des gaz, une soufflante 2, plusieurs étages de compresseur désignés par 50 et 51, et plusieurs turbines 4 et 5 entraînant les étages de compresseur et la soufflante. En aval des turbines 4 et 5, une tuyère 6 est disposée afin de canaliser les gaz expulsés par le turboréacteur.

Un étage de compresseur 50 est représenté sur la figure 2A et comprend un carter 100 et un rotor 114 comprenant une roue à aubes 116 munie d'aubes mobiles 110. L'étage de compresseur 50 est un exemple de turbomachine, et le carter 100 est un exemple d'une pièce pouvant être pourvue d'un revêtement abradable. On notera toutefois que des revêtements abradables peuvent être prévus dans d'autres turbomachines que des étages de compresseur, et sur d'autres pièces qu'un carter de compresseur.

Une partie de la face radialement intérieure du carter 100 est recouverte d'éléments de revêtement abradable 10 comprenant un matériau abradable. Par exemple, les éléments 10 sont des pièces minces constituées de matériau abradable, couvrant chacune un secteur angulaire donné d'un tronçon cylindrique du carter 100.

Comme cela est illustré sur la figure 2B, l'élément 10 est placé en regard des aubes mobiles 110. Pendant le fonctionnement de la turbomachine, les extrémités 111 des aubes mobiles 110 peuvent venir en contact avec les éléments 10 de matériau abradable. Puisque le matériau des éléments 10 est abradable, lorsqu'un tel contact se produit, l'extrémité 111 use les éléments 10, et non l'inverse. L'élément 10 peut être fixé à la pièce 100 par des éléments de fixation non représentés et/ou grâce au procédé P2 qui sera décrit plus loin.

La figure 3 représente en coupe une partie de la tuyère 6. La tuyère 6 comprend un élément de structure 7 adapté pour guider les gaz expulsés par le turboréacteur 1, c'est-à-dire les gaz « froids » expulsés par la soufflante 2 et les gaz chauds expulsés par les turbines 4 et 5. Un élément de revêtement acoustique 8 comprenant un matériau acoustique recouvre une partie radialement intérieure de l'élément de structure 7. L'élément 8 peut être fixé à l'élément de structure 7 par des éléments de fixation 9 et/ou grâce au procédé P2 qui sera décrit plus loin. L'élément de structure 7 est un exemple d'une pièce pouvant être pourvue d'un revêtement acoustique. On notera toutefois que d'autres pièces du turboréacteur 1 peuvent être pourvues d'un revêtement acoustique. L'élément de structure 7 est de préférence une pièce en CMC.

Selon l'invention, les éléments de revêtement 8 et 10 sont comprennent un matériau poreux en céramique.

On va maintenant décrire à l'aide des figures 4 à 6 un procédé PI de fabrication de ce matériau poreux en céramique.

Pour fabriquer le matériau poreux en céramique, on fournit d'abord un support poreux 20 (étape 200).

Le support poreux 20 peut être, par exemple, une mousse du type de celle représentée sur les figures 5A et 5B. Dans la suite, et par commodité, on fera référence aux figures 5C à 5E pour décrire les étapes du procédé.

Le support poreux 20 est un support solide poreux présentant des pores ouverts 21 et des pores fermés 23. Le support poreux 20 présente préférablement une grande majorité de pores ouverts 21, et plus préférablement encore seulement des pores ouverts 21 ; ainsi, le matériau obtenu par le procédé PI ne comporte pas de pores de taille trop importante, qui le rendraient trop susceptible à l'érosion et diminueraient trop sa durée de vie. Par « pore ouvert », on entend que le pore soit débouche directement à la surface 22 du support poreux 20, soit communique (directement ou par le biais d'un ou plusieurs autres pores ouverts) avec un pore qui débouche à la surface 22. Par « pore fermé », on entend que le pore ne débouche pas directement à la surface 22 du support poreux 20 et ne communique pas avec un pore ouvert.

Après l'étape 200, on imprègne le support poreux 20 d'une barbotine de céramique 30 (étape 300).

La barbotine 30 comprend un solvant 31 et des particules de céramique 32. Le solvant 31 est par exemple de l'eau déminéralisée. Par « particule », on entend un élément de petite taille qui peut avoir une forme de grain, c'est-à-dire une forme sensiblement sphérique, ou une forme plus allongée à une dimension (fibre) ou à deux dimensions (plaquette).

Comme cela est illustré sur la figure 5D, lors de l'étape 300, grâce au fait que les pores 21 sont ouverts, les pores ouverts 21 se remplissent de barbotine 30. L'imprégnation du support poreux 20 par la barbotine 30 peut être effectuée par diverses méthodes, par exemple par infusion, par injection, par injection filtrée, par moulage par transfert de résine (Resin Transfer Molding ou RTM en anglais), ou par tout autre moyen d'infiltration.

Une méthode avantageuse pour imprégner le support poreux consiste à simplement plonger le support poreux 20 dans un récipient rempli de barbotine 30. Cette méthode est simple et rapide et évite d'avoir recours à des équipements coûteux d'injection.

Optionnellement, après avoir imprégné le support poreux 20, on place le support poreux ainsi imprégné dans une enceinte sous vide (étape 325). Ceci provoque une infiltration plus rapide de la barbotine et permet d'imprégner de manière simple et sûre le support poreux de barbotine, sans équipement coûteux du type Resin Transfer Molding (RTM). Par exemple, on laisse le support poreux imprégné dans l'enceinte sous vide jusqu'à ce qu'on n'observe plus de bulles au sein de la barbotine 30.

Optionnellement, après l'étape 300 ou 325 et avant l'étape 400 ci-dessous, on provoque l'évaporation du solvant 31 (étape 350). Par exemple, on place le support poreux imprégné dans une étuve maintenue à une température constante et suffisante pour évaporer le solvant 31 (par exemple 100°C).

Les particules de céramique 32 sont en totalité ou en majorité en matériau frittable, c'est-à-dire qui est apte à diffuser depuis une particule vers une particule adjacente lorsque les particules subissent une température élevée, de sorte que des liens se créent entre les particules ; le matériau est alors fritté. Lors du frittage, il ne se produit pas nécessairement de fusion des particules. Un matériau fritté peut donc être poreux. Un matériau fritté à une température ou une pression plus élevée sera moins poreux et aura donc une résistance mécanique plus importante.

Après avoir imprégné le support poreux 20 de barbotine 30, on procède à un traitement thermique (étape 400). Par « traitement thermique », on entend que, le support poreux 20 imprégné de barbotine 30 est chauffé pendant au moins une période de temps dont la durée a été déterminée à l'avance.

Sous l'action de la température, les particules 32 sont frittées, de sorte qu'elles se consolident progressivement jusqu'à former un matériau comprenant une structure 40 en céramique. Comme cela est représenté schématiquement sur la figure 5E, la structure 40 est poreuse et présente des pores 41.

Dans certains modes de mise en œuvre, comme cela sera détaillé plus loin, le traitement thermique peut également provoquer une dégradation du support poreux 20, c'est-à-dire qu'après le traitement thermique, le support poreux 20 est partiellement ou totalement éliminé. Dans ce cas, la structure poreuse en céramique 40 est une image sensiblement « en négatif » du support poreux 20. En d'autres termes, la structure poreuse comprend une succession de particules de céramiques qui sont issues du frittage des particules de céramique 32 et qui comblent les pores ouverts 21, et les pores 41 de la structure poreuse en céramique 40 correspondent sensiblement aux « vides » laissés par les parois des pores 21 et 23 suite à la dégradation du support poreux 20.

On notera que la structure poreuse en céramique 40 présente une porosité plus importante, et donc une résistance mécanique moindre, que si elle avait été obtenue sans le support poreux 20.

En outre, lorsque la structure poreuse en céramique 40 est usée, les particules de céramique frittées qui s'en détachent n'ont pas une taille suffisante pour obturer des conduits de refroidissement, et ne sont pas susceptibles de fondre ou de devenir pâteuses et d'endommager des conduits de refroidissement.

On notera qu'après l'étape 400, il peut éventuellement subsister des résidus 50 du support poreux 20. Ces résidus n'ont pas d'influence négative sur le caractère abradable du matériau.

La structure poreuse en céramique 40 est peu réactive chimiquement. Le matériau obtenu par le procédé est donc peu sensible aux phénomènes d'auto-inflammation et de déflagration et peut donc être avantageusement utilisé pour former un revêtement abradable sur une pièce.

Par exemple, les particules de céramique 32 comprennent des grains d'une poudre de céramique, c'est-à-dire qu'une partie ou la totalité des particules de céramique 32 sont des grains d'une poudre de céramique.

Dans un exemple, la poudre de céramique est une poudre d'oxyde métallique ou un mélange de poudres d'oxydes métalliques. Des oxydes métalliques qui peuvent être utilisés dans le procédé de l'invention sont par exemple l'alumine (Al203) ou la zircone (Zr02). Un avantage des oxydes métalliques est que la structure poreuse 40 est alors très peu réactive chimiquement et donc très peu sensible aux phénomènes d'autoinflammation et de déflagration. Un autre avantage est que la structure poreuse 40 est peu sensible à la corrosion, ce qui évite une usure prématurée du matériau. Les oxydes métalliques seront donc très avantageusement utilisés pour former un revêtement abradable.

Dans un autre exemple, la poudre de céramique est une poudre de carbure ou un mélange de poudres de carbures. Divers carbures peuvent être utilisés dans le procédé de l'invention, par exemple le carbure de silicium (SiC).

Dans un autre exemple, la poudre de céramique est une poudre de nitrure ou un mélange de poudres de nitrures. Divers nitrures peuvent être utilisés dans le procédé de l'invention, par exemple le nitrure de silicium (S13N4).

Les carbures et les nitrures qui viennent d'être cités sont également utilisés pour réaliser des pièces en CMC. De préférence, pour former un revêtement sur une pièce en CMC, on choisira une poudre de céramique de même composition que la matrice de la pièce en CMC.

De préférence, les particules de céramique 32 et la structure poreuse 40 ne contiennent pas de particules métalliques, en particulier des particules d'aluminium (Al). En effet, comme cela a été indiqué ci-dessus, l'aluminium est sensible aux phénomènes d'auto-inflammation, et donc de déflagration. Le matériau poreux en céramique selon l'invention est alors non-déflagrant. Ceci est avantageux lorsque le matériau est utilisé pour former un revêtement abradable comme cela a été détaillé ci-dessus. De plus, lorsque le matériau selon l'invention est utilisé pour former un revêtement acoustique, si ce revêtement se détache accidentellement et est entraîné dans le flux de gaz d'échappement, il ne s'enflammera pas et ne créera donc pas de « post-combustion » involontaire en aval du turboréacteur.

Dans un exemple représenté sur la figure 6, le traitement thermique comprend au moins une première période de temps Ati pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une première température Ti (étape 425), et au moins une seconde période de temps At2 pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une deuxième température T2 strictement supérieure à la première température Ti (étape 475). Plus précisément, pendant la période de temps Ati, après une montée en température jusqu'à la température Ti, le support poreux est maintenu à la température Ti ; et pendant la période de temps At2, après une montée en température jusqu'à la température T2, le support poreux est maintenu à la température T2.

Par exemple, on choisit la température Ti de sorte qu'elle soit suffisante pour fritter partiellement les particules de céramique 32 maintenues en place par le support poreux 20, et on choisit la température T2 de sorte qu'elle soit suffisante pour dégrader le support poreux 20 (par exemple par pyrolyse de celui-ci) et poursuivre le frittage des particules de céramique 32 jusqu'à obtenir le degré de consolidation désiré. On notera qu'il est possible qu'après dégradation du support poreux 20, il peut éventuellement subsister des résidus 50 de celui-ci.

Par exemple, le support poreux 20 comprend une mousse en résine. Dans ce cas, la température Ti peut être telle que le support poreux ne se dégrade pas significativement, tandis que la température T2 peut être telle que le support poreux se dégrade par pyrolyse. Après dégradation par pyrolyse, il peut éventuellement subsister des résidus carbonés 50. Ces résidus carbonés n'influencent pas négativement les propriétés mécaniques ou acoustiques du matériau.

Par exemple, la température Ti est inférieure ou égale à 350°C, et la température T2 est comprise entre 500°C et 1600°C, de préférence entre 650°C et 1300°C. Des valeurs préférées de la température T2 sont précisées plus loin.

La mousse en résine est, par exemple, une mousse de polyamide ou une mousse de polyimide. Ces mousses sont particulièrement bien adaptées au procédé de l'invention dans la mesure où elles conservent leur forme sans se dégrader à des températures inférieures ou égales à 350°C, et se dégradent par pyrolyse à des températures supérieures à 450°C.

On voit sur la figure 5F que, après le traitement thermique à la température Ti (dans cet exemple, Ti = 350°C), les particules de céramique sont partiellement frittées, tandis que la mousse a conservé sa forme, bien que des résidus carbonés soient apparus localement à sa surface.

On voit de plus sur la figure 5G que, après le traitement thermique à la température T2 (dans cet exemple, T2 = 650°C), les particules de céramique sont frittées, et la mousse est éliminée par pyrolyse, si bien qu'il subsiste seulement une structure poreuse en céramique.

Dans un mode de mise en œuvre particulier, la barbotine 30 comprend en outre un liant organique. Le liant organique peut être, par exemple, une résine vinyl acrylique, une résine de polyvinyl butyral (PVB), une résine de polyéthyène glycol (PEG), ou un mélange de celles-ci. Le liant organique permet de lier les particules de céramique 32 entre elles et aux parois des pores du support poreux 20, et ainsi d'améliorer la tenue des particules de céramique 32 dans les pores du support poreux 20. Ceci améliore la tenue de la barbotine pendant les manipulations du support poreux 20, et la résistance mécanique du matériau poreux en céramique final. Le liant organique est éliminé pendant le traitement thermique.

On va maintenant décrire, à l'aide des figures 7, 8A et 8B, un procédé P2 d'apport d'un revêtement en matériau poreux en céramique sur une pièce selon l'invention.

On fournit une pièce 100 et un support poreux 20 (étape 201), et on effectue les étapes 300, 325, 350, 425 et 475 du procédé PI qui viennent d'être décrites, les étapes 325 et 350 étant également optionnelles.

Toutefois, après avoir effectué l'étape 425 du traitement thermique 400, et avant d'effectuer l'étape 475, on dispose le support poreux partiellement fritté sur la pièce (étape 450). Ainsi, après l'étape 475, le matériau est fritté sur la pièce 100 et constitue un revêtement fixé à la pièce 100.

On comprend que les possibilités de mise en œuvre décrites en rapport avec le procédé PI sont également applicables au procédé P2.

En complément, après avoir effectué le traitement thermique 400, on peut étaler une couche supplémentaire 60 de barbotine de céramique 65 sur le matériau (étape 600). Comme cela est représenté sur la figure 8A, on étale la couche supplémentaire 60 sur la surface externe 42 de la structure poreuse en céramique 40, cette surface externe 42 étant opposée à la surface de contact entre la structure poreuse en céramique 40 et la pièce 100.

Dans le cas où la pièce 100 est un carter de compresseur (voir figure 2A), la surface externe 42 est située du côté radialement intérieur du carter, « radialement intérieur » s'entendant par rapport à l'axe P du turboréacteur 1.

La barbotine 65 comprend un solvant 66, par exemple de l'eau déminéralisée, et des particules de céramique 67. La barbotine 65 peut avoir la même composition que la barbotine 30, ou une composition différente. Ensuite, on effectue un traitement thermique supplémentaire à une température T3 afin de fritter les particules de céramique contenues dans la couche supplémentaire de barbotine (étape 700).

Une fois frittée, la couche supplémentaire 60 conduit à une couche lisse 70 de rugosité faible en surface du matériau, représentée sur la figure 7B. Par exemple, la rugosité Ra de la couche lisse 70 est inférieure à

1 pm. Ainsi, comme cela est expliqué dans le document brevet FR 2 994 397 Al au nom de la demanderesse, on améliore les propriétés aérodynamiques du matériau, ce qui améliore l'efficacité énergétique de la turbomachine. Cette couche lisse n'influence pas significativement les propriétés mécaniques et acoustiques du matériau.

La température T3 est choisie pour assurer une tenue mécanique suffisante de la couche lisse 70, et est par exemple choisie dans la même plage de température que la température T2. La température T3 est de préférence inférieure ou égale à la température T2, et plus préférablement encore égale à la température h, afin d'obtenir une bonne tenue mécanique de la couche lisse 70.

On notera que les propriétés du matériau obtenu par les procédés qui viennent d'être décrits peuvent être modulées de plusieurs manières.

Dans certains modes de mise en œuvre, la porosité volumique du matériau poreux en céramique est comprise entre 5% et 99%, de préférence entre 10% et 90%. Par « porosité volumique », on entend désigner le rapport entre le volume de tous les pores (ouverts et fermés) du matériau et le volume total du matériau. La porosité volumique du matériau poreux en céramique dépend notamment de la porosité volumique du support poreux 20 et des conditions du frittage, en particulier de la température de frittage.

Lorsque le matériau poreux en céramique est utilisé pour former un revêtement abradable, sa porosité volumique est préférablement comprise entre 5% et 60%, et plus préférablement encore entre 15% et 35%.

En effet, le caractère abradable du matériau poreux en céramique dépend notamment de sa porosité volumique. Une porosité volumique trop importante conduira à un matériau trop abradable et trop sensible à l'érosion par des corps étrangers : il est donc préférable que la porosité volumique du matériau soit inférieure ou égale à 60% lorsqu'il est utilisé pour former un revêtement abradable.

Lorsque le matériau poreux en céramique est utilisé pour former un revêtement acoustique, sa porosité volumique est préférablement comprise entre 60% et 99%, et plus préférablement encore entre 80% et 90%.

En effet, les propriétés acoustiques du matériau poreux en céramique dépendent notamment de sa porosité volumique. Une porosité volumique trop faible conduira à une absorption insuffisante des ondes sonores dans les gaz expulsés par le turboréacteur : il est donc préférable que la porosité volumique du matériau soit supérieure ou égale à 60% lorsqu'il est utilisé pour former un revêtement acoustique.

Dans certains modes de mise en œuvre, le taux de charge de la barbotine est compris entre 10% et 45%. Par « taux de charge », on entend désigner le rapport entre le volume de barbotine occupé par les particules de céramique et le volume total de barbotine.

Lorsque le matériau poreux en céramique est utilisé pour former un revêtement abradable, le taux de charge de la barbotine est de préférence compris entre 20% et 45%. Un tel taux de charge permet en effet d'obtenir un matériau avec une porosité volumique inférieure ou égale à 60%, de préférence comprise entre 20% et 45%, et pouvant atteindre 5% à 15% dans la couche lisse de matériau abradable formée après les étapes 600 et 700.

Lorsque le matériau poreux en céramique est utilisé pour former un revêtement acoustique, le taux de charge de la barbotine est de préférence compris entre 10% et 25%. Un tel taux de charge permet en effet d'obtenir un matériau avec une porosité volumique supérieure ou égale à 60% et pouvant atteindre 90% à 99%. D'autre part, le caractère abradable du matériau dépend également du choix de la température du traitement thermique, notamment du choix de la température T2. Plus cette température sera élevée, plus la résistance mécanique du matériau sera grande, et moins le matériau sera susceptible à l'usure et à l'érosion par des corps étrangers.

Pour une application en tant que revêtement abradable dans un compresseur basse pression de turboréacteur, le revêtement abradable installé dans les derniers étages du compresseur basse pression est susceptible d'entrer en contact avec de nombreux corps étrangers, tels que des poussières, qui sont susceptibles d'éroder très rapidement le revêtement abradable. On envisagera donc de recourir à une température T2 élevée. Par exemple, pour les premiers étages de compresseur, on envisagera une température T2 comprise entre 650°C et 800°C, tandis que pour les derniers étages, on envisagera une température T2 plus élevée (par exemple comprise entre 800°C et 1000°C) afin que le revêtement abradable présente une résistance mécanique plus importante.

Pour une application en tant que revêtement abradable dans un compresseur haute pression de turboréacteur, le risque d'érosion par des corps étrangers est plus limité. On envisagera donc de recourir à une température T2 moins élevée que dans les derniers étages de compresseur basse pression, par exemple comprise entre 650°C et 800°C. Afin d'améliorer le rendement du compresseur, on pourra également envisager de créer une couche superficielle lisse de matériau abradable sur le revêtement (étapes 600 et 700 du procédé).

Pour une application en tant que revêtement abradable dans une turbine de turboréacteur, le risque d'érosion par des corps étrangers est très faible : on pourra envisager d'augmenter la porosité du matériau afin d'alléger le turboréacteur. En revanche, le revêtement abradable sera soumis à des températures de fonctionnement très élevées. On envisagera donc de recourir à une température T2 très élevée (par exemple comprise entre 800°C et 1600°C, de préférence entre 850°C et 1300°C), et de préférence légèrement supérieure à la température de fonctionnement maximale attendue. Afin d'améliorer le rendement de la turbine, on pourra également envisager de créer une couche superficielle lisse de matériau abradable sur le revêtement (étapes 600 et 700 du procédé).

Pour une application en tant que revêtement acoustique pour une tuyère de turboréacteur, le risque d'érosion par des corps étrangers est très faible, voire nul, car un tel revêtement est généralement intégré dans une structure qui le protège de l'érosion. En revanche, le revêtement acoustique sera soumis à des températures de fonctionnement élevées, dues aux gaz chauds expulsés par les turbines. On envisagera donc de recourir à une température T2 élevée (par exemple comprise entre 1200°C et 1450°C), et de préférence légèrement supérieure à la température de fonctionnement maximale attendue.

Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication (PI) d'un matériau poreux en céramique pour un revêtement d'une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : a) on fournit (200) un support poreux (20) comprenant des pores ouverts (21) ; b) on imprègne (300) le support poreux (20) d'une barbotine de céramique (30) comprenant un solvant (31) et des particules de céramique (32) ; c) on effectue (400) un traitement thermique comprenant au moins une période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux (20) imprégné de la barbotine de céramique à une température suffisamment élevée pour fritter les particules de céramique (32).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement thermique comprend au moins une première période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une première température (Ti) suffisamment élevée pour fritter partiellement les particules de céramique (32), et au moins une seconde période de temps pendant laquelle on soumet le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une deuxième température (T2) strictement supérieure à la première température.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la première température (Ti) est inférieure ou égale à 350°C, et la deuxième température (T2) est comprise entre 500°C et 1600°C.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le support poreux (20) comprend une mousse en résine.
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la mousse en résine est une mousse de polyamide ou une mousse de polyimide.
6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les particules de céramique (32) comprennent des grains d'une poudre d'oxyde métallique ou d'un mélange de poudres d'oxydes métalliques.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'oxyde métallique est l'alumine ou la zircone.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la barbotine de céramique (30) comprend en outre un liant organique.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel avant de procéder (400) au traitement thermique, on provoque l'évaporation (350) du solvant (31).
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel, pour imprégner (300) le support poreux (20) de la barbotine de céramique (30), on plonge le support poreux dans la barbotine de céramique.
11. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel, après avoir imprégné (300) le support poreux (20) de barbotine de céramique (30), on place (325) le support poreux (20) dans une enceinte sous vide.
12. 12. Procédé d'apport (B) d'un revêtement en matériau poreux en céramique sur une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : on fournit (101, 200) une pièce (100) et un support poreux (20) comprenant des pores ouverts (21) ; on imprègne (300) le support poreux (20) d'une barbotine de céramique (30) comprenant un solvant (31) et des particules de céramique (32) ; et on effectue un traitement thermique pendant lequel : on soumet (425) le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une première température (Ti) suffisamment élevée pour fritter partiellement les particules de céramique (32) pendant au moins une période de temps ; on dispose le support poreux (20) sur la pièce (100) ; on soumet (475) le support poreux imprégné de la barbotine de céramique à une deuxième température (T2) strictement supérieure à la première température pendant au moins une période de temps.
13. 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel, après avoir effectué le traitement thermique, on étale (600) une couche supplémentaire (60) de barbotine de céramique (65) sur le matériau poreux en céramique, et on procède à un traitement thermique supplémentaire afin de fritter les particules de céramique (67) contenues dans la couche supplémentaire de barbotine.
14. 14. Utilisation du matériau obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour former un revêtement sur une pièce de turbomachine ou de tuyère de turboréacteur.