FR3113496A1 - Procédé de dépôt d’un revêtement sur un fil sous champ micro-ondes - Google Patents

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Arnaud DELEHOUZE
Pierre FENETAUD
Lucien Jacques Sylvain
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Safran Ceramics SA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Bordeaux
Safran Ceramics SA
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Abstract

Procédé de dépôt d’un revêtement sur un fil sous champ micro-ondes L’invention concerne un procédé de traitement d’un fil (150) en carbone ou en céramique comprenant au moins la formation d’un revêtement sur le fil dans une zone réactionnelle (115) d’un réacteur (220) par chauffage d’un segment (156) du fil en présence d’une phase gazeuse dans un champ micro-ondes, caractérisé en ce que la phase gazeuse comprend un mélange d’un gaz diluant (200a ; 200b) et d’un précurseur de revêtement à l’état vapeur, et en ce que la phase gazeuse est formée au moins par introduction du gaz diluant dans le réacteur et mélange du gaz diluant introduit au précurseur de revêtement (140) dans le réacteur avant la zone réactionnelle. Figure pour l’abrégé : Fig. 2.

Description

Procédé de dépôt d’un revêtement sur un fil sous champ micro-ondes
La présente invention se rapporte au domaine général des procédés de dépôt d’un revêtement sur un fil en carbone ou en carbure de silicium par couplage avec un champ micro-ondes en présence d’un précurseur de revêtement à l’état vapeur.
Les matériaux composites à matrice céramique (CMC), connus pour leurs bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structures et pour conserver ces propriétés à températures élevées, constituent une alternative viable aux traditionnelles pièces métalliques. Leur masse réduite par rapport à leur équivalent métallique en font des pièces de choix pour répondre aux problématiques d’augmentation du rendement et de réduction des émissions polluantes des moteurs dans le domaine aéronautique.
Les pièces en matériau CMC comprennent un renfort fibreux généralement sous la forme d’un textile tissé, qui est densifié par une matrice céramique. Le renfort fibreux peut comprendre des filaments longs, regroupés généralement sous la forme de fils, dont l’orientation peut être adaptée aux directions principales de sollicitation de la pièce lors de son utilisation. La préforme destinée à former le renfort fibreux doit être tissée à partir de fils aux dimensions de la pièce (par exemple par tissage bidimensionnel ou tridimensionnel), à l’aide d’un métier à tisser adapté. Pour réaliser une pièce en matériau CMC qui présente des propriétés mécaniques améliorées, il est connu d’utiliser des fils dans la préforme fibreuse qui sont revêtus d’une interphase, préalablement à la densification de la préforme.
On connaît le dépôt d’un revêtement d’interphase sur les fils d’une préforme fibreuse déjà tissée par infiltration chimique en phase vapeur (« Chemical Vapor Infiltration » ; « CVI »). Outre le coût élevé et les faibles cinétiques de cette technique, l’interphase formée sur les fils n’est généralement pas homogène et l’on peut observer des gradients d’épaisseur d’interphase entre la surface et le cœur de la préforme, et localement entre les filaments situés en surface et en cœur de fil. Cette inhomogénéité du dépôt au sein de la préforme peut diminuer les propriétés mécaniques finales de la pièce densifiée.
En vue de répondre à ce problème, il a été proposé dans le document FR 3 075 829 de déposer un revêtement à partir d’un précurseur dans un champ micro-ondes. Cette technique donne des résultats satisfaisants mais l’homogénéité du revêtement obtenu peut encore être améliorée, ainsi que la maîtrise de sa stoechiométrie.
La présente invention concerne un procédé de traitement d’un fil en carbone ou en céramique comprenant au moins la formation d’un revêtement sur le fil dans une zone réactionnelle d’un réacteur par chauffage d’un segment du fil en présence d’une phase gazeuse dans un champ micro-ondes,
caractérisé en ce que la phase gazeuse comprend un mélange d’un gaz diluant et d’un précurseur de revêtement à l’état vapeur, et en ce que la phase gazeuse est formée au moins par introduction du gaz diluant dans le réacteur et mélange du gaz diluant introduit au précurseur de revêtement dans le réacteur avant la zone réactionnelle.
Un « segment de fil » correspond ici à une certaine longueur de fil, en d’autres termes, le segment s’étend selon la longueur ou la plus grande dimension du fil. Un fil pouvant comprendre plusieurs filaments, un segment de fil peut comprendre plusieurs filaments.
Le segment du fil est chauffé, dans la zone réactionnelle, par couplage direct par l’intermédiaire de micro-ondes, ce qui permet de porter sa surface à une température suffisante pour former le revêtement à partir du précurseur de revêtement à l’état vapeur. Le segment de fil est chauffé dans son ensemble, ce qui permet une formation homogène et rapide du revêtement sur ce dernier avec une quantité d’énergie limitée car le segment de fil est chauffé directement par le champ micro-ondes. En outre, l’invention propose d’apporter du gaz diluant qui se mélange avec le précurseur dans le réacteur avant la zone réactionnelle. L’emploi du gaz diluant permet de diluer le taux de réactif et de maîtriser la cinétique de dépôt de sorte à obtenir un dépôt plus homogène. Comme il sera détaillé plus bas, le gaz diluant peut lors de son introduction être mélangé au précurseur de revêtement alors qu’il est à l’état liquide ou déjà à l’état vapeur.
Dans un exemple de réalisation, le gaz diluant réagit avec du carbone excédentaire du précurseur de revêtement avant la zone réactionnelle et/ou avec du carbone excédentaire du revêtement formé dans la zone réactionnelle.
Le gaz diluant peut ainsi être réactif vis-à-vis du précurseur et/ou du revêtement afin de consommer le carbone excédentaire faisant dévier de la stoechiométrie souhaitée pour le revêtement. Cette réaction peut être une réaction d’oxydation ou préférentiellement de réduction. A titre d’exemple, le gaz diluant réactif peut comporter du dihydrogène (H2) ou de l’ammoniac (NH3). Dans ce cas, une réaction de réduction est réalisée pour consommer le carbone excédentaire. L’emploi de dihydrogène peut être préféré devant l’ammoniac pour le cas d’un revêtement de carbure de silicium par exemple, car il permet d’éviter tout risque de nitruration parasite du revêtement formé sur le fils. Dans d’autres cas, l’emploi d’ammoniac peut être préféré par rapport au dihydrogène, cela est par exemple le cas dans le cas d’un revêtement de nitrure de bore car l’ammoniac apporte de l’azote supplémentaire pour ajuster la stoechiométrie du revêtement formé. On peut en variante réaliser une oxydation du carbone excédentaire du précurseur et/ou du revêtement en utilisant un gaz diluant réactif comportant du dioxygène, un oxyde d’azote, par exemple N2O, ou un oxyde de carbone, par exemple CO ou CO2. Une telle oxydation peut être mise en œuvre dans le cas de la formation d’un revêtement oxyde.
En variante, le gaz diluant est inerte vis-à-vis du précurseur de revêtement et/ou vis-à-vis du revêtement formé dans la zone réactionnelle. A titre d’exemple, le gaz diluant inerte peut comporter du diazote (N2) ou de l’argon (Ar).
On notera que l’on ne sort pas du cadre de l’invention si le gaz diluant comprend un mélange d’au moins un gaz réactif et d’au moins un gaz inerte.
Dans un exemple de réalisation, la formation de la phase gazeuse comprend l’évaporation du précurseur de revêtement liquide dans le réacteur par contact avec une portion chaude du fil adjacente au segment présent dans le champ micro-ondes.
La portion du fil adjacente au revêtement est chauffée par conduction et rayonnement à partir du segment de fil présent dans le champ micro-ondes. On peut ainsi s’affranchir d’un moyen de chauffage spécifique au niveau du précurseur liquide. Cela permet de rendre le procédé plus simple et plus économe en énergie.
En particulier, le gaz diluant peut être mélangé au précurseur de revêtement liquide lors de son introduction dans le réacteur.
Une telle caractéristique est avantageuse car elle favorise l’évaporation du précurseur de revêtement liquide et son entraînement dans la zone réactionnelle et permet de moduler le débit en précurseur dans la zone réactionnelle.
En variante ou en combinaison, le gaz diluant est mélangé au précurseur de revêtement à l’état vapeur lors de son introduction dans le réacteur.
L’invention n’est toutefois pas limitée à une vaporisation du précurseur de revêtement à l’état liquide effectuée dans le réacteur. En effet dans un exemple de réalisation, la formation de la phase gazeuse comprend l’introduction du précurseur de revêtement à l’état vapeur dans le réacteur et le mélange du gaz diluant au précurseur de revêtement à l’état vapeur ainsi introduit.
Dans un exemple de réalisation, la fraction volumique de gaz diluant dans la phase gazeuse est supérieure ou égale à la fraction volumique de précurseur de revêtement à l’état vapeur dans la phase gazeuse, par exemple supérieure ou égale à deux fois cette fraction volumique.
Une telle caractéristique permet avantageusement d’améliorer davantage encore l’homogénéité du revêtement obtenu sur le fil.
La fraction volumique de précurseur de revêtement à l’état vapeur dans la phase gazeuse peut être comprise entre 15% et 75%, de préférence entre 25% et 50%, et la fraction volumique de gaz diluant dans la phase gazeuse peut être comprise entre 25% et 85%, de préférence entre 50% et 75%.
Le fil peut être mis en mouvement dans le réacteur lors de son traitement. Ainsi, lors du chauffage du segment de fil, le segment peut être dans une première position, et le procédé peut comprendre en outre le déplacement du fil de façon à positionner le segment dans une deuxième position dans laquelle le segment est hors du champ micro-ondes. En d’autres termes, le procédé peut comprendre une étape de déplacement du fil dans le champ micro-ondes et dans le réacteur. Cette disposition avantageuse permet de former le revêtement sur l’intégralité de la longueur du fil plus facilement. Dans ce cas, le défilement du fil peut être effectué de façon continue, c’est-à-dire ininterrompue pendant le dépôt, ou pas à pas, c’est-à-dire que le fil est stoppé lors du dépôt puis déplacé de sorte à positionner un deuxième segment dans la zone réactionnelle après dépôt sur un premier segment.
Dans un exemple de réalisation, le précurseur de revêtement est un précurseur de carbure de silicium (SiC).
On peut ainsi déposer du carbure de silicium sur le fil, ce revêtement permettant notamment de protéger le fil contre l’oxydation et/ou durant les étapes subséquentes de formation de la pièce en matériau composite.
En variante, le précurseur de revêtement est un précurseur de nitrure de bore (BN).
Le nitrure de bore est un matériau d’interphase, c’est-à-dire ayant une fonction de défragilisation du matériau composite qui favorise la déviation de fissures éventuelles parvenant à l’interphase après s’être propagées dans la matrice, empêchant ou retardant la rupture de fils par de telles fissures.
En variante encore, le précurseur de revêtement est un précurseur de nitrure de silicium (Si3N4).
D’une manière générale, le revêtement formé sur le fil peut être un revêtement céramique, par exemple carbure ou nitrure, par exemple carbure de bore, nitrure de bore ou nitrure de silicium.
Dans un exemple de réalisation, le fil est mis en mouvement dans le réacteur, et le segment de fil recouvert du revêtement est transporté dans une zone de traitement supplémentaire distincte de la zone réactionnelle où il subit un traitement thermique.
La température imposée dans la zone de traitement supplémentaire peut être supérieure ou égale à la température dans la zone réactionnelle. La température imposée dans la zone de traitement supplémentaire peut être supérieure ou égale à 1100°C, par exemple à 1200°C. Cette température peut par exemple être comprise entre 1100°C et 1700°C, par exemple entre 1200°C et 1500°C.
En particulier, le traitement thermique peut conduire à une déshydrogénation du revêtement recouvrant le fil. Cela peut être le cas par exemple lorsque le revêtement formé est en carbure de silicium si le précurseur choisi aboutit à un revêtement avec un excédent d’hydrogène. En particulier, le traitement thermique peut conduire à une cristallisation ou à une stabilisation du revêtement recouvrant le fil, c’est le cas par exemple lorsque le revêtement formé est en nitrure de bore. Une stabilisation du revêtement signifie que le revêtement est rendu moins sensible à l’air.
L’invention vise également un procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, comprenant :
- la formation d’une préforme fibreuse de la pièce à partir de fils traités par le procédé tel que décrit plus haut, et
- la formation d’une matrice dans la porosité de la préforme fibreuse obtenue.
La matrice peut être au moins partiellement céramique, par exemple majoritairement en volume en céramique.
La figure 1 représente, de manière schématique, un dispositif pour la mise en œuvre d’un premier exemple de procédé selon l’invention.
La figure 2 représente, de manière schématique, un dispositif pour la mise en œuvre d’un deuxième exemple de procédé selon l’invention.
La figure 3 représente, de manière schématique, un dispositif pour la mise en œuvre d’un troisième exemple de procédé selon l’invention.
La figure 4 représente, de manière schématique, un dispositif pour la mise en œuvre d’un quatrième exemple de procédé selon l’invention.
La figure 5 est une photographie d’une coupe d’un fil revêtu pouvant être obtenu dans le cadre de l’invention.
La figure 6 est une photographie d’une coupe d’un autre fil revêtu pouvant être obtenu dans le cadre de l’invention.
On a représenté à la figure 1 un dispositif 100 permettant de mettre en œuvre un exemple de procédé selon l’invention. Dans cet exemple, le précurseur de revêtement 140 est présent à l’état liquide dans le réacteur 120 et le gaz diluant 200a, 200b est directement injecté dans le précurseur liquide 140.
Le dispositif 100 comprend un générateur de micro-ondes 110, un réacteur 120, et un dispositif de défilement (non représenté) qui permet de déplacer le fil 150 au travers du réacteur 120. Le fil 150 traité est en carbone ou en céramique, par exemple en carbure de silicium. Le matériau du fil 150 est choisi de sorte à coupler avec le champ micro-ondes dans la zone réactionnelle 115 afin de provoquer son chauffage. Dans un exemple de réalisation, le fil 150 peut être en carbure de silicium présentant une teneur en oxygène inférieure ou égale à 1% en pourcentage atomique. On peut par exemple utiliser un fil du type Hi-Nicalon type S commercialisé par la société japonaise NGS. On notera que le fil 150 traité peut ou non être déjà revêtu d’un autre matériau.
Le générateur de micro-ondes 110 comprend ici un résonateur 111 définissant une cavité résonante 112, le résonateur 111 est connecté à un générateur d’ondes (non représenté). En fonctionnement, la cavité résonante 112 est parcourue par un champ micro-ondes. Le champ micro-ondes peut être caractérisé par sa puissance (ou amplitude) et sa fréquence, que l’homme du métier pourra déterminer aisément pour obtenir une température de surface du fil convenable pour former le revêtement à partir d’un précurseur de revêtement donné. Le champ micro-ondes peut présenter une fréquence principale comprise entre 2,35 GHz et 2,55 GHz. Par exemple, l’utilisation d’un générateur micro-ondes de fréquence principale de 2,45GHz permet le chauffage d’un fil constitué d’environ 500 filaments en carbure de silicium. La chauffe se fait alors de manière très localisée uniquement sur le fil : le chauffage est alors qualifié de couplage direct en réacteur à paroi froide.
Le réacteur 120 peut être en un matériau transparent aux micro-ondes, par exemple en quartz. Le réacteur 120 peut avoir la forme d’un tube, ayant par exemple une forme en U. Le réacteur 120 peut avoir ayant une partie de base (ici une partie horizontale) 121, une première branche (ici une première partie verticale) 122 et une deuxième branche (ici une deuxième partie verticale) 123, chacune des parties verticales 122 et 123 étant reliée à la partie horizontale 121. La première partie verticale 122 peut être reliée à une première extrémité de la partie horizontale 121 et la deuxième partie verticale 123 à une deuxième extrémité de la partie horizontale 121, opposée à la première extrémité. La deuxième partie verticale 123 du réacteur 120 est ici présente au moins en partie dans la cavité résonante 112 du résonateur 111, c’est-à-dire qu’elle traverse le résonateur 111. La partie du réacteur 120 présente dans la cavité résonante 112 forme la zone réactionnelle 115. Le fil 150 peut être placé au niveau d’un ventre du champ micro-ondes dans la zone réactionnelle 115. Seule une branche ou une partie verticale 123 du réacteur 120 peut être présente dans le champ micro-ondes. La forme du réacteur 120 permet d’introduire un précurseur liquide 140. Le niveau de liquide peut être régulé par ajout de précurseur dans une des deux parties verticales 122 et 123, par exemple dans la première partie verticale 122 à l’aide d’une ampoule de coulée 143 reliée au réacteur 120 comme dans l’exemple non limitatif illustré. On peut réaliser la régulation de la quantité de liquide manuellement ou l’asservir par un capteur au niveau du précurseur et un dispositif d’alimentation en précurseur automatisé. Dans ce dernier cas, on peut utiliser un débitmètre liquide relié en amont à un canister pressurisé, la régulation du niveau pouvant se faire par un capteur optique du niveau de liquide dans la partie 122, ledit capteur asservissant la vanne de régulation du débitmètre. En outre, le réacteur 120 peut être pourvu d’une vanne de purge 126 afin d’évacuer le précurseur 140 à la fin du dépôt. Le ménisque 145 du précurseur 140 est situé en dessous de la cavité résonante 112 ou en dessous de la zone réactionnelle 115. Il n’y a en particulier pas de précurseur 140 liquide dans la zone réactionnelle 115 dans l’exemple illustré. Une portion de fil 156a contigüe au segment 156 de fil présent dans le champ micro-ondes est chauffée par conduction thermique. La portion 156a mise en contact avec le précurseur liquide 140 permet son évaporation au niveau du ménisque 145. Le précurseur 140 ainsi évaporé se propage vers la zone réactionnelle 115 pour réaliser le dépôt sur le fil. Un pompage peut être réalisé pour forcer cette propagation naturelle du précurseur 140 vers la zone réactionnelle 115. Le revêtement est formé à partir de la phase gazeuse dans la zone réactionnelle par infiltration chimique en phase vapeur, le revêtement recouvrant la surface des filaments formant le fil 150 et étant déposé dans les espaces inter-filaments. La distanceddu ménisque 145 à la zone réactionnelle 115 peut être supérieure ou égale à 1 cm, par exemple supérieure ou égale à 5 cm, par exemple comprise entre 1 cm et 15 cm, par exemple comprise entre 5 cm et 15 cm. Cette distance peut dépendre de la température imposée au fil en zone réactionnelle, comme il sera détaillé plus bas.
Le réacteur 120 est en outre pourvu de deux centreurs 125 présents respectivement aux deux jonctions entre la partie horizontale 121 et les deux parties verticales 122 et 123 du réacteur 120. Les centreurs 125 peuvent prendre la forme de rouleaux munis d’une gorge (non visibles sur les figures) qui ont pour fonction de maintenir le fil 150 centré dans le réacteur 120. Les centreurs 125 sont présents à l’intérieur du réacteur 120. La deuxième partie verticale 123 et la partie horizontale 121 comprennent chacune au moins un centreur supplémentaire 124a et 124b. Tout ou partie des centreurs supplémentaires 124a et 124b peuvent rétrécir localement la section du réacteur 120. On pourrait également ajouter un centreur supplémentaire (non représenté) dans la première partie verticale 122.
Le dispositif est muni d’un dispositif de défilement qui peut comporter un premier mandrin (non représenté) à partir duquel le fil 150 peut être déroulé, le premier mandrin peut être un mandrin de stockage du fil 150 avant qu’il ne soit revêtu, et un deuxième mandrin (non représenté) sur lequel le fil 150 peut être enroulé une fois revêtu. Le fil peut être continu, s’étendant continûment entre le premier mandrin et le deuxième mandrin au travers du réacteur 120. Le fil 150 peut être mis en mouvement au travers du réacteur 120 durant le procédé. Un segment à traiter du fil 150 peut ainsi circuler dans le réacteur 120 depuis le premier mandrin jusqu’au deuxième mandrin. Les éléments de centrage 125 et 124a-b du fil 150 dans le réacteur 120 réduisent le risque que le fil 150 ne touche la paroi du réacteur 120. Le dispositif de défilement peut être commandé par des moyens de commande non représentés, de façon à faire défiler le fil 150 dans le dispositif 100 de façon continue ou pas à pas. Le défilement du fil 150 peut être contrôlé en fonction des paramètres procédé, et en particulier de la cinétique de dépôt, afin de maîtriser finement l’épaisseur du revêtement déposé.
Dans l’exemple de la figure 1, le fil 150 circule dans le réacteur 120 et est en partie immergé dans le précurseur liquide 140. Le mouvement du fil peut être continu (ininterrompu) ou pas à pas. Un segment 156 du fil traité circule initialement dans la première partie verticale 122 sans être immergé dans le précurseur liquide 140, le segment est ensuite plongé dans le précurseur liquide 140 dans la première partie verticale 122, puis reste immergé dans le précurseur liquide 140 dans la partie horizontale 121 et dans une partie de la deuxième partie verticale 123. Le segment du fil 150 sort ensuite du précurseur liquide 140 pour être acheminé vers la zone réactionnelle 115 où le revêtement est formé à sa surface à partir de la phase gazeuse sous champ micro-ondes. La suite s’attache à décrire la formation de la phase gazeuse dans cet exemple.
Le précurseur liquide 140 est ici évaporé par conduction thermique le long du fil depuis le segment 156 chauffé dans la zone réactionnelle 115 jusqu’au ménisque 145. Le réacteur 120 est muni d’au moins un canal d’introduction 154a, 154b d’un gaz diluant 200a, 200b. Le réacteur 120 est ici muni de plusieurs canaux d’introduction 154a, 154b du gaz diluant 200a, 200b. Lorsque plusieurs canaux 154a et 154b sont présents, le gaz diluant 200a et 200b introduit dans chacun peut être identique ou différent, par exemple le gaz diluant 200a peut être réactif et le gaz diluant 200b inerte. Dans l’exemple de la figure 1, le ou les canaux 154a, 154b débouchent sous le ménisque 145 de précurseur 140 liquide. Le ou les canaux 154a, 154b peuvent être portés par la deuxième partie verticale 123 et déboucher dans celle-ci. Le ou les canaux 154a, 154b peuvent être situés en dessous de la zone réactionnelle 115. Lorsqu’il est introduit dans le réacteur, le gaz diluant 200a, 200b se mélange directement avec du précurseur 140 liquide, comme illustré dans l’exemple de la figure 1. Le gaz diluant 200a, 200b est ici mis en contact avec le précurseur 140 liquide lors de son introduction dans le réacteur 120. Le gaz diluant 200a, 200b peut être introduit dans la deuxième partie verticale 123. Le mélange du gaz diluant 200a, 200b et du précurseur 140 peut s’effectuer dans la deuxième partie verticale 123. Le mélange du gaz diluant 200a, 200b et du précurseur 140 peut s’effectuer dans une zone de déplacement du fil 150. Le mélange du gaz diluant 200a, 200b et du précurseur 140 peut s’effectuer en dessous de la zone réactionnelle 115. Dans cet exemple, le gaz diluant 200a, 200b bulle dans le précurseur 140 liquide présent dans le réacteur 120. Le mélange entre le gaz diluant 200a, 200b et le précurseur 140 est réalisé avant l’arrivée de la phase gazeuse dans la zone réactionnelle 115. Quel que soit l’exemple considéré, la distance séparant la zone de mélange entre le précurseur et le gaz diluant et la zone réactionnelle peut être inférieure ou égale à 15 cm, et par exemple comprise entre 1 cm et 15 cm. En l’occurrence dans l’exemple illustré, le gaz diluant 200a, 200b est d’abord mélangé au précurseur 140 liquide, lequel est ensuite évaporé de sorte à obtenir la phase gazeuse comprenant un mélange du gaz diluant et du précurseur de revêtement à l’état vapeur, cette phase gazeuse se propage ensuite vers la zone réactionnelle 115 et est introduite dans cette zone 115 de sorte à former le revêtement sur le fil traité. Le gaz diluant est distinct du précurseur de revêtement à l’état vapeur. Comme indiqué plus haut, la zone réactionnelle 115 est en particulier dépourvue de précurseur de revêtement liquide, le précurseur de revêtement y étant uniquement sous forme vapeur dans l’exemple illustré. On notera en outre que le réacteur est dépourvu d’un système de chauffage au niveau du précurseur liquide 140. Le système peut néanmoins comporter un dispositif de régulation en température (non représenté) du précurseur liquide 140 afin de le maintenir à une température modérée si cela est souhaité en fonction du précurseur utilisé, par exemple inférieure ou égale à 20°C.
Le gaz diluant 200a, 200b peut être réactif ou inerte vis-à-vis du précurseur 140. Ainsi, le gaz diluant 200a, 200b peut réagir avec le carbone du précurseur de revêtement afin de consommer le carbone excédentaire par rapport à la stoechiométrie souhaitée pour le dépôt avant introduction du précurseur de revêtement à l’état vapeur dans la zone réactionnelle 115. Cette réaction peut avoir lieu dans la phase gazeuse avant son introduction dans la zone réactionnelle 115, le gaz diluant 200a, 200b réagissant avec le carbone excédentaire du précurseur de revêtement à l’état vapeur. En variante ou en combinaison et comme indiqué plus haut, le gaz diluant 200a, 200b peut réagir avec le carbone excédentaire du revêtement formé dans la zone réactionnelle 115. Le gaz diluant 200a, 200b réactif peut être de l’hydrogène ou de l’ammoniac. Le gaz diluant 200a, 200b inerte peut être du diazote ou de l’argon.
A titre d’exemple, le précurseur de revêtement 140 liquide peut être un précurseur de carbure de silicium. Dans ce cas, le précurseur 140 peut comporter un ou plusieurs atomes de silicium, un ou plusieurs atomes de carbone et éventuellement de l’hydrogène. En particulier, le précurseur 140 peut comporter au moins une liaison Si-C, et éventuellement au moins une liaison Si-H et/ou au moins une liaison Si-Si. A titre d’exemples de précurseurs 140 de carbure de silicium utilisables, on peut citer le 1,3,5 Trisilacyclohexane (TSCH), l’hexamethyldisilane (HMDS) ou encore le triéthylsilane. Dans le cas de l’utilisation de HMDS, il peut être avantageux de choisir un gaz diluant apte à consommer le carbone excédentaire du précurseur afin d’obtenir du SiC pur sur le fil 150.
A titre d’exemple, dans le cas d’un dépôt de carbure de silicium, la température du fil 150 en zone réactionnelle 115 peut être comprise entre 800°C et 1300°C, par exemple entre 950°C et 1200°C.
En variante, le précurseur de revêtement 140 peut être un précurseur de nitrure de bore. Dans ce cas, le précurseur 140 peut comporter un ou plusieurs atomes de bore un ou plusieurs atomes d’azote et de l’hydrogène, et éventuellement un ou plusieurs atomes de carbone. Le précurseur 140 peut être un aminoborane. Le précurseur 140 peut comporter au moins une liaison B-N et éventuellement au moins une liaison N-C et/ou au moins une liaison B-C. A titre d’exemple de précurseur 140 de nitrure de bore utilisable, on peut citer le tris(dimethylamino) borane (TDMAB) ou le triéthylaminoborane (TEAB) éventuellement mélangé à de l’ammoniac NH3. L’utilisation de TDMAB peut avantageusement s’accompagner de l’utilisation d’un gaz diluant réactif avec le carbone afin de consommer le carbone excédentaire.
A titre d’exemple, dans le cas d’un dépôt de nitrure de bore, la température du fil 150 en zone réactionnelle 115 peut être comprise entre 900°C et 1500°C, par exemple entre 1200°C et 1400°C.
On peut en variante encore former un revêtement de nitrure de silicium, par exemple en utilisant comme précurseur de revêtement 140 le hexaméthyldisilazane. On peut mettre la portion du réacteur 120 entre le ménisque 145 et la zone réactionnelle 115 en dépression pour favoriser l’évaporation du précurseur vers la zone réactionnelle 115. La pression dans cette portion peut néanmoins rester supérieure ou égale à la pression de vapeur du précurseur à la température au niveau du ménisque 145, afin d’éviter une évaporation trop rapide du précurseur. La pression dans cette portion peut, d’une manière générale, aller de 1 mbars à 3 bars. Le choix de la pression à imposer en fonction du précurseur utilisé relève des connaissances générales de l’homme du métier. A titre d’exemple pour le TDMAB, la pression dans le réacteur peut être supérieure ou égale à 3 mbar à 30°C ou supérieure ou égale à 160 mbar à 100°C. Pour le TEAB, la pression dans le réacteur peut par exemple être supérieure ou égale à 3 mbar à 75°C ou supérieure ou égale à 16 mbar à 96 °C. Pour le triéthylsilane, la pression dans le réacteur peut par exemple être supérieure ou égale à 125 mbar à 50°C.
Le débit de gaz diluant introduit dans le réacteur 120 peut être supérieur ou égal au débit de précurseur 140 évaporé ou introduit dans la zone réactionnelle 115, par exemple supérieur ou égal à deux fois ce débit. Cela permet d’obtenir une phase gazeuse ayant une fraction volumique en gaz diluant supérieure ou égale à la fraction volumique en précurseur à l’état vapeur.
On notera que le réacteur 120 comprend en outre des canaux supplémentaires d’entrée 157a, 157c et de sortie de gaz 159a, 159c en aval de la zone réactionnelle 115. Ainsi, le segment 156 passe successivement dans la zone réactionnelle 115 puis au niveau de ces canaux 157a, 157c et 159a, 159c. Un gaz tampon, par exemple du diazote ou de l’argon, peut être introduit au travers des canaux 157a, 157b et 157c et 159a, 159b et 159c afin d’éviter tout risque de dépôt parasite au niveau des mandrins du dispositif de défilement. Les sorties de gaz 159a-159c permettent d’évacuer le gaz tampon introduit ainsi que l’éventuel précurseur en phase vapeur résiduel. Comme illustré, chacune des deux parties verticales 122 et 123 peut comporter au moins un couple de canal d’entrée 157a-c et de canal de sortie 159a-c. L’exemple de réacteur 120 illustré comprend un premier couple d’entrée 157a et de sortie 159a de gaz tampon situé entre la zone réactionnelle 115 et un centreur 124a, un deuxième couple de canal d’entrée 157b et de canal de sortie 159b de gaz tampon situé sur la partie verticale 122 en amont de la zone réactionnelle 115 et un troisième couple de canal d’entrée 157c et de canal de sortie 159c de gaz tampon situé en aval du centreur 124a. On notera en particulier une réduction de la section de passage au niveau du centreur 124a, en aval de la zone réactionnelle 115. Cela permet avantageusement de réduire davantage encore les fuites de précurseur à l’état vapeur résiduel et d’améliorer le centrage du fil. Bien entendu, la réduction de la section de passage n’est pas forcément assurée par l’ajout d’une pièce spécifique 124a et peut simplement être obtenue par une modification locale du diamètre du tube formant le réacteur. Dans une variante non illustrée, le système est dépourvu de cette réduction de section de passage.
L’exemple de dispositif 101 à la figure 2 qui va à présent être décrit reprend la même structure que le dispositif 100 de la figure 1 mais le complète notamment par adjonction d’une zone de traitement thermique supplémentaire 210. Les parties identiques au dispositif 100 de la figure 1 portent les mêmes symboles de référence et ne sont pas décrites à nouveau pour des raisons de concision.
Le réacteur 220 de la figure 2 est ainsi muni d’une zone de traitement supplémentaire 210 qui est distincte de la zone réactionnelle 115 et en aval de celle-ci. Ainsi, le segment 156 de fil traité passe successivement au travers de la zone réactionnelle 115 puis au travers de la zone de traitement supplémentaire 210 où il subit un traitement thermique. Cette zone 210 peut ainsi être munie de moyens de chauffage, on peut à nouveau utiliser un chauffage micro-ondes mais l’homme du métier reconnaîtra que d’autres moyens de chauffage sont envisageables. La température imposée lors du traitement thermique dans la zone 210 peut être supérieure ou égale à la température en zone réactionnelle 115. La température dans la zone 210 peut être supérieure ou égale à 1100°C, par exemple supérieure ou égale à 1200°C. Cette température peut être comprise entre 1100°C et 1700°C, par exemple entre 1200°C et 1500°C.
Comme indiqué plus haut, le traitement thermique effectué dans la zone 210 peut aboutir à une déshydrogénation, à une cristallisation ou à une stabilisation du revêtement formé en zone réactionnelle 115. On peut par exemple réaliser, dans la zone 210, une cristallisation ou une stabilisation d’un revêtement de nitrure de bore en imposant au fil une température comprise entre 1200°C et 1500°C. En variante, on peut procéder à un traitement thermique de déshydrogénation d’un revêtement de carbure de silicium en imposant au fil 150 une température comprise entre 1100°C et 1500°C.
Le réacteur 220 est en outre muni d’une entrée 157d et une sortie 159d de gaz tampon de part et d’autre de la zone 210 afin d’inerter cette zone et éviter des dépôts parasites. En variante, on peut introduire au travers de l’entrée 157d un gaz réactif permettant la déshydrogénation du revêtement formé en zone réactionnelle 115.
La figure 2 illustre une zone de traitement supplémentaire 210 distincte et décalée de la zone réactionnelle 115 le long de la direction de déplacement du fil 150. Néanmoins, on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque la zone réactionnelle 115 est chauffée à une température suffisante pour à la fois réaliser le dépôt sur le fil ainsi qu’un traitement thermique de modification de ce dépôt, par exemple de déshydrogénation, cristallisation ou stabilisation comme effectué en zone 210. Dans ce dernier cas, compte-tenu des températures élevées imposées dans la zone réactionnelle 115, il peut être avantageux de ménager une distancedsuffisante entre la zone réactionnelle 115 et le ménisque 145 de précurseur, afin de réaliser le traitement supplémentaire souhaité sans perturber l’évaporation du précurseur par conduction thermique le long du fil. A titre d’exemple, cette distance peut être supérieure ou égale à 5 cm, par exemple comprise entre 5cm et 15 cm.
Les exemples de procédé qui viennent d’être décrits en lien avec les figures 1 et 2 concernent une introduction du gaz diluant directement dans le précurseur 140 liquide. La figure 3 qui va maintenant être décrite vise un dispositif 102 où il y a mélange du gaz diluant directement avec le précurseur à l’état vapeur. Les parties identiques à celles décrites plus haut ne sont pas reprises pour des raisons de concision.
Le réacteur 320 illustré à la figure 3 comprend au moins un canal d’introduction 254a, 254b de gaz diluant qui débouche entre le ménisque 145 et la zone réactionnelle 115. Le gaz diluant ne vient plus buller dans le précurseur liquide 140 mais est mélangé au précurseur à l’état vapeur en amont de la zone réactionnelle 115 après l’évaporation du précurseur liquide 140 dans le réacteur 320. Le gaz diluant est ici introduit au-dessus du ménisque de précurseur liquide 140. La phase gazeuse obtenue après ce mélange se propage ensuite vers la zone réactionnelle 115 pour former le revêtement. Dans une variante non illustrée, on pourrait combiner une introduction du gaz diluant à la fois dans le précurseur liquide et dans le précurseur à l’état vapeur. Aussi, on peut adjoindre une zone de traitement supplémentaire 210 en aval de la zone réactionnelle 115 telle que décrite à la figure 2.
La variante de la figure 4 concerne le cas où le précurseur est directement introduit à l’état vapeur dans le réacteur. Dans l’exemple de dispositif 103 de la figure 4, le gaz diluant 200a, 200b est injecté dans le réacteur 420 et mélangé directement avec un flux de précurseur à l’état vapeur 240. La pression dans le réacteur 420 peut être comprise entre 1 mbar et 3 bars.
Le débit de gaz diluant 200a, 200b introduit dans le réacteur 420 peut être supérieur ou égal au débit de précurseur 240 à l’état vapeur introduit dans le réacteur 420, par exemple supérieur ou égal à deux fois ce débit de précurseur introduit dans le réacteur 420. Cela permet d’obtenir une phase gazeuse ayant une fraction volumique en gaz diluant supérieure ou égale à la fraction volumique du précurseur en phase vapeur.
Les figures illustrent des dispositifs 100-103 dans lesquels un unique fil 150 est traité mais l’invention s’applique également à un traitement simultané d’une pluralité de fils dans le réacteur. Le traitement d’un fil peut, en outre, comporter plusieurs passages du fil dans le réacteur de sorte à déposer à chaque fois un revêtement supplémentaire sur le revêtement formé lors du passage précédent. Le revêtement ainsi déposé peut être monomatériau ou multimatériaux. Il n’y a pas dans les exemples illustrés de précurseur liquide dans la zone réactionnelle, néanmoins on ne sort pas du cadre de l’invention lorsque du précurseur liquide est présent dans la zone réactionnelle en complément de la phase gazeuse apportée dans cette zone.
Le procédé peut se poursuivre par fabrication d’une pièce en matériau composite à partir de plusieurs fils revêtus de la manière décrite plus haut.
La fabrication de la pièce peut ainsi comporter la fabrication d’une préforme fibreuse, destinée à former le renfort fibreux de la pièce, à partir d’une pluralité de fils revêtus. La préforme fibreuse peut être obtenue par tissage, par exemple par tissage tridimensionnel, des fils revêtus. On peut utiliser une armure de tissage interlock, par exemple.
La porosité de la préforme fibreuse peut ensuite être remplie par une matrice afin d’obtenir la pièce en matériau composite. La matrice peut être une matrice au moins partiellement en céramique. De manière connue en soi, cette matrice peut être formée par infiltration chimique en phase vapeur ou par technique d’infiltration à l’état fondu (« Melt-Infiltration » ; « MI »). La matrice peut comprendre du carbure de silicium.
La pièce obtenue peut être une pièce de turbomachine, par exemple de turbomachine aéronautique ou de turbomachine industrielle. La pièce obtenue peut être une pièce de turbine. La pièce obtenue peut être une aube de turbomachine, par exemple une aube de turbine. La pièce obtenue peut en variante être un secteur d’anneau de turbine.
Exemples
Exemple 1 : dépôt de carbure de silicium
Un essai a été réalisé à l’aide du dispositif 100 illustré à la figure 1. Le précurseur utilisé était le HMDS, la température de la zone réactionnelle 115 a été maintenue à 1070°C pendant 3 minutes. L’azote a été utilisé en tant que gaz diluant 200a, 200b. Les fractions volumiques de gaz diluant et de précurseur dans la phase gazeuse étaient chacune de 50%. Le dépôt de SiC est effectif avec une cinétique en zone réactionnelle de 500µm/min. Dans l’essai réalisé, le fil était statique. La figure 5 est une vue en coupe du fil revêtu obtenu.
Exemple 2 : dépôt de nitrure de bore
Un essai a été réalisé à l’aide du dispositif 100 illustré à la figure 1. Le précurseur utilisé était le TDMAB, la température de la zone réactionnelle 115 a été maintenue à 1270°C pendant 12 minutes. L’azote a été utilisé en tant que gaz diluant 200a, 200b. Les fractions volumiques de gaz diluant et de précurseur dans la phase gazeuse étaient chacune de 50%. Le dépôt de BN est effectif avec une cinétique en zone réactionnelle de 1,7 µm/min. Dans l’essai réalisé, le fil était statique. Une pièce en matériau composite a ensuite été formée à partir des fils revêtus obtenus. La figure 6 est une vue en coupe du fil revêtu obtenu.
L’expression « comprise entre … et … » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (15)

  1. Procédé de traitement d’un fil (150) en carbone ou en céramique comprenant au moins la formation d’un revêtement sur le fil dans une zone réactionnelle (115) d’un réacteur (120 ; 220 ; 320 ; 420) par chauffage d’un segment (156) du fil en présence d’une phase gazeuse dans un champ micro-ondes,
    caractérisé en ce que la phase gazeuse comprend un mélange d’un gaz diluant (200a ; 200b) et d’un précurseur de revêtement à l’état vapeur, et en ce que la phase gazeuse est formée au moins par introduction du gaz diluant dans le réacteur et mélange du gaz diluant introduit au précurseur de revêtement (140 ; 240) dans le réacteur avant la zone réactionnelle.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le gaz diluant (200a ; 200b) réagit avec du carbone excédentaire du précurseur de revêtement (140 ; 240) avant la zone réactionnelle (115) et/ou avec du carbone excédentaire du revêtement formé dans la zone réactionnelle (115).
  3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le gaz diluant réactif (200a ; 200b) comporte du dihydrogène ou de l’ammoniac.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le gaz diluant (200a ; 200b) est inerte vis-à-vis du précurseur de revêtement (140 ; 240) et/ou vis-à-vis du revêtement formé dans la zone réactionnelle (115).
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la phase gazeuse comprend l’évaporation du précurseur de revêtement liquide (140) dans le réacteur (120) par contact avec une portion chaude (156a) du fil adjacente au segment (156) présent dans le champ micro-ondes.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le gaz diluant (200a ; 200b) est mélangé au précurseur de revêtement liquide (140) lors de son introduction dans le réacteur (120).
  7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le gaz diluant (200a ; 200b) est mélangé au précurseur de revêtement à l’état vapeur lors de son introduction dans le réacteur (120).
  8. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la phase gazeuse comprend l’introduction du précurseur de revêtement à l’état vapeur (240) dans le réacteur (420) et le mélange du gaz diluant (200a ; 200b) au précurseur de revêtement à l’état vapeur ainsi introduit.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la fraction volumique de gaz diluant dans la phase gazeuse est supérieure ou égale à la fraction volumique de précurseur de revêtement à l’état vapeur dans la phase gazeuse.
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le précurseur de revêtement (140 ; 240) est un précurseur de carbure de silicium, un précurseur de nitrure de bore ou un précurseur de nitrure de silicium.
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le fil (150) est mis en mouvement dans le réacteur (220), et dans lequel le segment (156) de fil recouvert du revêtement est transporté dans une zone de traitement supplémentaire (210) distincte de la zone réactionnelle (115) où il subit un traitement thermique.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le traitement thermique conduit à une déshydrogénation du revêtement recouvrant le fil (150).
  13. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le traitement thermique conduit à une cristallisation ou à une stabilisation du revêtement recouvrant le fil (150).
  14. Procédé de fabrication d’une pièce en matériau composite, comprenant :
    - la formation d’une préforme fibreuse de la pièce à partir à partir de fils (150) traités par le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, et
    - la formation d’une matrice dans la porosité de la préforme fibreuse obtenue.
  15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la matrice est au moins partiellement en céramique.
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