FR3084377A1 - Procede de revetement par electrophorese d'une piece en materiau composite par une barriere environnementale - Google Patents

Procede de revetement par electrophorese d'une piece en materiau composite par une barriere environnementale Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé d'élaboration d'un revêtement de type barrière environnementale par électrophorèse d'une pièce en matériau composite à matrice céramique, le procédé comprenant les étapes suivantes : - E10: application par électrophorèse sur la surface de la pièce d'une suspension de composition comprenant au moins une poudre d'un silicate de terre rare, et des charges conductrices avec une proportion en teneur massique dans ladite composition d'environ 0 à 5% de charges conductrices associées à des agents de frittage avec une proportion en teneur massique dans ladite composition d'environ 0 à 5% d'agent de frittage ; - E20 : séchage de la composition de revêtement liquide appliquée ; et - E30 : traitement thermique de frittage de la poudre du silicate de terre rare.

Description

PROCEDE DE REVETEMENT PAR ELECTROPHORESE D’UNE PIECE EN MATERIAU COMPOSITE PAR UNE BARRIERE ENVIRONNEMENTALE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un procédé de revêtement par électrophorèse d'une pièce en matériau composite à matrice céramique (CMC) par une barrière environnementale, en particulier dans le domaine aéronautique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les technologies CMC sont développées depuis plus de 20 ans, avec des objectifs d’application de ces technologies dans les futures générations de turboréacteurs civils, en l’occurrence pour la réalisation de pièces de turbines et de pièces d’arrières corps.
En effet, les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées.
Cependant, dans les conditions de fonctionnement des turbines aéronautiques (en particulier : haute température et environnement corrosif), les matériaux CMC sont sensibles à la corrosion.
Ainsi, lorsqu’une pièce en CMC comprend une matrice de carbure de silicium (SIC), la corrosion du CMC résulte en l’oxydation du SiC en silice, qui en présence de vapeur d’eau se volatilise sous forme d’hydroxydes Si(OH)4. Les phénomènes de corrosion entraînent une dégradation prématurée du CMC.
En conséquence, afin de garantir la durée de vie des CMC, il est donc nécessaire de les protéger de la corrosion humide avec une barrière environnementale (EBC).
Différentes techniques peuvent être mises en œuvre afin de former les barrières environnementales.
On peut, en particulier, citer les procédés d'élaboration par voie sèche comme la projection thermique.
Cette technique est utilisée pour les applications où il y a besoin d’un revêtement épais (par exemple sur la veine des anneaux de turbine).
Toutefois, un inconvénient de cette technique est qu'elle est utilisée pour l’élaboration de revêtement épais, et que c’est un procédé directif, i.e. mal adapté à l’élaboration de revêtement fin sur des pièces complexes.
I! existe également les procédés par voie liquide comme la technique de trempage-retrait (dit en anglais « dip-coating »). Ceux-ci présentent, quant à eux, un coût de mise en œuvre plus réduit. Dans le cadre des techniques par voie liquide, une barrière environnementale peut être formée par application, sur la surface de la pièce, de particules de silicate de terre rare en suspension dans un milieu liquide suivie d'un séchage et d’un frittage de ces particules.
Toutefois, la consolidation et l'adhérence à la pièce sous-jacente du revêtement ainsi obtenu peuvent ne pas être optimales, de la sorte qu’il est difficile par la voie liquide, et en particulier par électrophorèse d’élaborer des revêtements céramiques denses avec des épaisseurs importantes
En conséquence, la voie liquide est plus indiquée pour les revêtements de fine épaisseur, au maximum de 10pm (par exemple pour les voiles d’aubes ou de distributeurs).
Il existe donc un besoin pour disposer de procédés de formation d'un revêtement de barrière environnementale de coût de mise en œuvre relativement réduit et permettant l'obtention d'une barrière environnementale présentant une densité et une épaisseur importante (de l’ordre de la centaine de micromètre) sur des pièces de géométries complexes, telles que des voiles d’aubes ou de distributeurs de turbine.
EXPOSE DE L'INVENTION
L’invention a pour but de pallier les inconvénients de l’art antérieur décrits ci-avant.
En particulier, un but de l’invention est de proposer un procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale par électrophorèse sur un matériau composite à matrice céramique (CMC), procédé qui permet d’élaborer des revêtements homogènes et d’épaisseur uniforme même sur des pièces de formes complexes.
A cet égard, l’invention a pour objet un procédé d’élaboration d’un de revêtement de type barrière environnementale par électrophorèse sur une pièce en matériau composite à matrice céramique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
E10 : application par électrophorèse sur la surface de la pièce d’une suspension de composition comprenant au moins une poudre d'un silicate de terre rare, des charges conductrices avec une proportion en teneur massique dans ladite composition d’environ 0 à 5% de charges conductrices ;
E20 : séchage de la suspension appliquée ; et
E30 : traitement thermique de frittage de la poudre du silicate de terre rare.
Avantageusement, mais facultativement, le système selon l’invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes :
La suspension comprend des agents de frittage avec une proportion en teneur massique dans composition de la suspension d’environ 0 à 5% d’agent de frittage ; la teneur massique de la poudre de silicate de terre rare est comprise entre environ 0.5 à 30%, et préférentiellement environ 1 à 5% ;
la taille moyenne des particules de la poudre du silicate de terre rare est inférieure ou égale à environ 5pm, et préférentiellement inférieure ou égale à environ 1pm ;
la composition de la suspension comprend un solvant dont la teneur massique dans ladite composition est comprise entre environ 70 à 99%, et préférentiellement entre environ 85 à 95% ;
les charges conductrices sont soit des charges carbonées de type nanotube de carbone, graphène, graphite ou noir de carbone, soit des charges de sels métalliques de type l21 Al, Si;
les agents de frittages sont soit des charges oxydes de type Fe2O3, AI2O3, MgO, CaO RE2O3 (RE=Terre Rare), soit des sols précurseurs des oxydes cités précédemment, soit des sols précurseurs du silicate de terre rare.
la barrière environnementale élaborée comporte une épaisseur entre environ 25 et 150pm ;
pour atteindre une épaisseur donnée de barrière environnementale, les étapes E10 à E30 sont répétées plusieurs fois jusqu’à l’obtention de l’épaisseur souhaitée.
les étapes E1Q à E30 sont répétées, avec une seconde poudre d'un silicate de terre rare pour l’obtention d’une seconde couche de la barrière environnementale sur la première couche de la barrière environnementale précédemment élaborée, la seconde barrière environnementale comportant une épaisseur entre 5 et 50pm d’épaisseur ; et la pièce est une pièce de turbomachine.
Le procédé permet d’obtenir des revêtements homogènes et d’épaisseur uniforme même sur des pièces de formes complexes. L’utilisation de charges conductrices associées à l’ajout d’agent de frittage permettant à la fois d’augmenter les épaisseurs déposées lors du dépôt par électrophorèse grâce à l’amélioration de la conductivité de la suspension en silicate de terre rare et à la fois d’améliorer la densification de la barrière environnementale ainsi élaborée grâce l’utilisation d’agent de frittage.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, au regard des figures annexées, données à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquelles :
la figure 1 illustre de manière schématique, des étapes mises en œuvre afin de former une barrière environnementale selon le procédé de l'invention;
la figure 2 représente une pièce comportant un matériau céramique et une barrière environnementale formée selon l’invention ;
la figure 3A est une photographie d’une charge carbonée qui peut être mise en œuvre dans le cadre du procédé selon l’invention ; et la figure 3B est une photographie de la surface d’une barrière environnementale formée selon le procédé de l'invention ;
la figure 3C est une photographie d’une coupe d’une barrière environnementale formée selon le procédé de l'invention ; et la figure 4 représente un exemple d'évolution de la température qui peut être mis en œuvre pour réaliser un traitement thermique dans le cadre du procédé selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Dans la description détaillée qui suit, on envisage la formation d'une barrière environnementale sur la surface d’une pièce en matériau CMC contenant du silicium. Il est toutefois rappelé que l'invention est applicable à une pièce en matériau composite à matrice céramique contenant du silicium et, plus généralement, à une pièce dont au moins une partie adjacente est revêtue d’une couche de silicium.
La pièce en matériau CMC contenant du silicium comprend un renfort fibreux qui peut être en fibres de carbone (C) ou en fibres de céramique, par exemple en fibres de SIC.
La formation d'une barrière environnementale sur une pièce en CMC va à présent être décrite en lien avec la figure 1 qui illustre les différentes étapes d'un exemple d’un procédé de revêtement, ainsi qu’en lien avec la figure 2 qui illustre une pièce en matériau CMC 10 avec un revêtement élaboré par ledit procédé.
La pièce peut être une pièce statique ou rotative de turbomachine. La pièce de turbomachine peut par exemple être une pièce présente dans une partie chaude de la turbomachine, telle qu'une turbine, et constituer par exemple une aube de turbine, une partie d'un anneau de turbine, etc.
Dans une première étape E10 du procédé, une suspension est appliquée sur la surface S de la pièce en CMC 10.
La suspension utilisée pendant un procédé électrophorèse est appliquée sur une couche d'accrochage 11 comprenant du silicium et présente sur la surface S de la pièce 10. Dans cet exemple, la suspension est directement appliquée sur la couche d'accrochage 11 (au contact de cette dernière). Cette couche d'accrochage peut être une couche en silicium ou en siliciure métallique. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention lorsque la suspension est directement appliquée sur la surface de la pièce en CMC (au contact de cette dernière en l'absence de couche d'accrochage 11).
La sous-couche d'accrochage 11, connue en soi, permet d'assurer une bonne adhésion du revêtement de la barrière environnementale 12 sur le substrat 11. Plus généralement, une telle sous-couche d'accrochage 11 permet d'assurer une bonne compatibilité mécanique entre le premier revêtement de la barrière environnementale 12 et la surface S, en compensant notamment la dilatation thermique différentielle qui pourrait exister entre les matériaux du revêtement 12 et de la pièce en CMC 10.
Dans le cas où la pièce 10 comprend un matériau composite à matrice céramique, la sous-couche d'accrochage 11 peut comprendre du silicium ou un siliciure métallique. De manière générale, le matériau de la sous-couche d'accrochage 11 est adapté en fonction des matériaux formant la pièce 10 et le revêtement 12.
Une étape préalable, connue en soi, consiste tout d'abord à déposer sur la surface S de la pièce 10 la sous-couche d'accrochage 11, par exemple par projection thermique ou par dépôt en phase vapeur (CVD ou PVD).
Il est ensuite procédé au dépôt (étape E10) sur la sous-couche d'accrochage 11 du revêtement 12 de la barrière environnementale. La composition de revêtement est appliquée par une méthode de dépôt par électrophorèse.
La suspension comprend un milieu liquide dans lequel sont présents au moins une poudre d'un silicate de terre rare RESiO choisi parmi : les disilicates ou monosilicates de terre rare, où la terre rare est l'yttrium, l'ytterbium, le lutétium ou l'erbium, par exemple.
Dans un mode de réalisation, la poudre de silicate de terre rare est choisie parmi les formes de silicates suivantes : Y2S12O7, Yb2Si2O7, Y2SiO5, Yb2SiO5, Yb2Si2O7.
La teneur massique de la poudre de silicate de terre rare peut être comprise entre environ 0.5 à 30%, et préférentiellement d’environ 1 à 5%. La taille moyenne des particules de la poudre du silicate de terre rare peut être inférieure ou égale à environ 5pm, et préférentiellement inférieure ou égale à environ 1μητ
Le milieu liquide peut par exemple être de l'eau ou un alcool, tel que l'éthanol, isopropanol, propanoM ou un mélange de ces alcools. La teneur massique du solvant dans le milieu liquide peut être comprise entre environ 70 à 99%, et préférentiellement d’environ 85 à 95%.
Le milieu liquide comprend également, en teneur massique, entre environ 0 à 5% de charges conductrices. Les charges conductrices sont par exemple des charges carbonées de type nanotube de carbone, graphène, graphite ou noir de carbone ou des charges de sels métalliques (l2, Al, Si...) dont l’ajout en très faible quantité permet d’améliorer significativement la conductivité du milieu électrophorétique.
Le milieu liquide comprend également, en teneur massique, entre environ 0 à 5% des agents de frittage. Les agents de frittage sont par exemple soit des charges oxydes de type Fe2O3, AI2O3, MgO, CaO RE2O3 (RE=Terre Rare), soit des sols précurseurs des oxydes cités précédemment, soit des sols précurseurs du silicate de terre rare ; dont l’ajout en très faible quantité permet d’améliorer significativement la densité du revêtement ainsi élaboré.
Dans l'électrophorèse, la pièce 10 constitue une électrode du système d'électrophorèse au regard de laquelle est présente une contre-électrode. La contre-électrode est, par exemple, en platine.
Un générateur impose une différence de potentiel entre la pièce 10 et la contre-électrode. Le générateur est à courant continu ou pulsé. La pièce 10 est polarisée à une charge opposée à celle des particules en suspension dans le milieu liquide. Du fait de l'application d'un champ éiectrique entre la pièce 10 et la contre-électrode, lesdites particules se déplacent et se déposent sur la pièce 10 pour former un revêtement céramique.
Préférentiellement le courant appliqué par le générateur est compris entre environ 1 μΑ et 5 mA. La durée du dépôt par électrophorèse étant comprise entre environ 1 et 30 mn.
Avantageusement, le dépôt par électrophorèse est un procédé rapide, efficace et peu coûteux.
Dans l’objectif d’améliorer la densification du dépôt dans une étape de frittage décrite ciaprès, la composition de suspension peut également comprendre en teneur massique entre environ :
à 5% d’agent de frittage tels que Fe2O3, MgO, Y2O3 ; et à 5% de sol précurseur des oxydes cités précédemment ou un sol de terre rare silicaté RESiO (identique ou différent du premier silicate de terre rare de la poudre). Ledit sol peut également comprendre des éléments précurseurs du revêtement de la barrière environnementale.
Après l’étape d’élaboration du revêtement par électrophorèse, la pièce en CMC 10 revêtue de la composition de suspension est soumise à une étape de séchage du dépôt dans une étape E20. Durant cette étape de séchage, tout ou partie du milieu liquide est évaporé.
Le séchage peut par exemple être réalisé entre environ 50 et 200°C, sur une durée de par exemple environ 5 mn à 2h.
Ensuite, dans une étape E30, la pièce 10 en CMC subit un traitement thermique de frittage dans l’objectif de poursuivre la densification du revêtement.
Lors du traitement thermique de frittage, les charges carbonées sont pyrolysées et les agents de frittage vont réagir avec le silicate de terre rare pour cicatriser revêtement pendant le traitement thermique de frittage et permettre une meilleure densification.
La figure 3A est une photographie d’une observation microscopique d'une particule de charge carbonée PCC, et les figures 3B et 3C sont une photographie d’une observation respectivement en surface et en coupe d'un dépôt de Y2Si2O7 élaborée par électrophorèse avec une charge carbonée après traitement thermique par frittage. Ces figures illustrent un revêtement sans fissures, en particulier la figure 3B très uniforme montre bien l’homogénéité de la couche déposée, couvrante et sans défaut.
Egalement, si le revêtement comprend des charges métalliques, celles-ci lors du traitement thermique, vont s’oxyder puis permettre de densifier et/ou cicatriser revêtement en fonctionnement par la formation par exemple de ZrSiO4 ou HfSiCu ou YAG ou de mullite...
Egalement, si le revêtement comprend un sol de terre rare contenant des éléments précurseurs de l’EBC, ledit sol permet avantageusement de favoriser la création de ponts de frittage dans l’EBC, par la formation de ponts de frittage entre les particules du premier silicate de terre rare de la poudre. On obtient après frittage une barrière environnementale présentant une consolidation améliorée du fait de la formation d’une phase liante frittée du deuxième silicate de terre rare liant les particules du premier silicate de terre rare entre elles.
Le traitement thermique de frittage est préférentiellement réalisé entre environ 1200 et 1400 °C, sur une durée d’environ 1 à 50 h.
La figure 4 représente un diagramme température-temps qui peut être appliqué pour réaliser les étapes E20 de séchage et E30 de frittage. Dans l'exemple de la figure 4, on peut réaliser un premier palier à température constante à une première température pour réaliser l’étape de pyrolyse des charges carbonées, la température peut ensuite être progressivement augmentée pour atteindre un deuxième palier à température constante à une deuxième température supérieure à la première température afin de réaliser le traitement thermique par frittage de l’étape E30.
Les vitesses de montée et de descente en température pour l’étape E20 de séchage ou l’étape E30 de frittage peut être comprise entre environ 25°C/h à 2QQcC/h.
Dans le mode de réalisation préférentiel du procédé illustré par la figure 4, les caractéristiques suivantes ont été mises en œuvre pour réaliser les étapes E20 de séchage et E30 de frittage : rampes en température de 50°C/heure et paliers de températures réalisés à 700°C durant 1 heure pour le séchage, et à 1315°C pendant 5 heures pour le frittage.
A l’issue des étapes E10 à E30, la barrière environnementale 12 peut être obtenue en réalisant une seule fois chacune des étapes E10 à E30. En variante, les étapes E10 à E30 peuvent être répétées afin d'obtenir la barrière environnementale 12. Ainsi, pour atteindre une épaisseur souhaitée, il est possible de réaliser la barrière environnementale 12, par exemple en effectuant au moins deux fois, voire au moins quatre fois, la succession des étapes E10 à E30.
L'épaisseur de la barrière environnementale obtenue par électrophorèse peut, en particulier, être comprise entre environ 25 et 150 pm.
Le procédé décrit permet donc d’obtenir des revêtements homogènes et d’épaisseur uniforme même sur des pièces de formes complexes. La sous-couche de liaison en silicium, conductrice, facilite la mise en œuvre de la barrière environnementale par électrophorèse. En effet, l’utilisation de charges conductrices, en particulier, associées à l’ajout d’agent de frittage permettent à la fois d’augmenter les épaisseurs déposées lors du dépôt par électrophorèse grâce à l’amélioration de la conductivité de la suspension en silicate de terre rare et à la fois d’améliorer la densification de la barrière environnementale ainsi élaborée grâce l’utilisation d’agent de frittage.
Exemple de dépôts :
Le procédé de revêtement par électrophorèse d'une pièce en matériau composite à matrice céramique (CMC) par une barrière environnementale est mis en œuvre sur une pièce composée d’une couche de silicium entre 10 et 50pm d’épaisseur élaborée par exemple par projection thermique, ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD), ou par dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Le procédé permet d’élaborer une barrière environnementale composée d’une couche de disilicate de terre rare (telle que Y2S12O7 ou Yb2Si2O7 ou YYbSi2O7) entre 25 et 150pm d’épaisseur. Pour atteindre cette épaisseur, les étapes E10 à E30 peuvent être répétées plusieurs fois pour atteindre l’épaisseur souhaitée.
De manière optionnelle la barrière environnementale peut être composée d’une seconde couche de monosilicate de terre rare (telle que Y2SiO5 ou Yb2SiO5) entre 5 et 50pm d’épaisseur. Pour atteindre cette épaisseur, les étapes E10 à E30 peuvent être répétées plusieurs fois pour atteindre l’épaisseur souhaitée.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse sur une pièce (10) en matériau composite à matrice céramique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - E10 : application par électrophorèse sur la surface (S) de la pièce (10) d’une suspension de composition comprenant au moins une poudre d'un silicate de terre rare, des charges conductrices avec une proportion en teneur massique dans ladite composition d’environ 0 à 5% de charges conductrices ;
    · E20 : séchage de la suspension appliquée ; et E30 : traitement thermique de frittage de la poudre du silicate de terre rare.
  2. 2. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon la revendication 1 dans lequel la composition de la suspension comprend des agents de frittage avec une proportion en teneur massique dans ladite composition d’environ 0 à 5% d’agents de frittage.
  3. 3. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel la teneur massique de la poudre de silicate de terre rare est comprise entre environ 0.5 à 30%, ou entre environ 1 à 5%.
  4. 4. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la taille moyenne des particules de la poudre du silicate de terre rare est inférieure ou égale à environ 5pm, ou inférieure ou égale à environ 1pm.
  5. 5. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la composition de la suspension comprend un solvant dont la teneur massique dans ladite composition est comprise entre environ 70 à 99%, ou entre environ 85 à 95%.
  6. 6. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les charges conductrices sont soit des charges carbonées de type nanotube de carbone, graphène, graphite ou noir de carbone, soit des charges de sels métalliques de type l2, Al, Si...
  7. 7. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications 2 à 6, dans lequel les agents de frittage sont soit des charges oxydes de type Fe2O3, AI2O3, MgO, CaO RE2O3 (RE=Terre Rarre), soit des sols précurseurs des oxydes cités précédemment, soit des sols précurseurs du silicate de terre rare.
  8. 8. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications précédentes dans lequel pour atteindre une épaisseur donnée de barrière environnementale, les étapes E10 à E30 sont répétées plusieurs fois jusqu’à l’obtention de l’épaisseur souhaitée.
  9. 9. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon la revendication précédente dans lequel la barrière environnementale (12) comporte une épaisseur donnée entre environ 25 et 150pm.
  10. 10. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications précédentes, les étapes E10 à E30 sont répétées, avec une seconde poudre d'un silicate de terre rare pour l’obtention d’une seconde barrière environnementale sur la barrière environnementale (12) précédemment élaborée, la seconde barrière environnementale comportant une épaisseur entre 5 et 50pm d’épaisseur.
  11. 11. Procédé d’élaboration d’un revêtement de type barrière environnementale (12) par électrophorèse d'une pièce (10) selon l’une des revendications précédentes dans lequel la pièce (10) est une pièce de turbomachine.
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