FR3129393A1 - Procédé de revêtement par électrophorèse d'une pièce en matériau composite à matrice céramique par une barrière environnementale - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un 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 liquide d'une composition comprenant au moins une poudre d'un silicate de terre rare ainsi que des charges conductrices ; - E20 : séchage de la suspension appliquée ; et - E30 : traitement thermique de frittage de la poudre du silicate de terre rare, caractérisé en ce que l'on fait usage, à titre de charges conductrices, d'au moins un nitrate choisi dans le groupe constitué par les nitrates d'aluminium, d'yttrium et d'ytterbium selon une quantité comprise entre 0.2 et 1 millimoles par litre de suspension liquide. Figure 2.

Description

Procédé de revêtement par électrophorèse d'une pièce en matériau composite à matrice céramique par une barrière environnementale
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
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, de sorte qu’il est nécessaire de les protéger contre une dégradation prématurée.
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).
Les EBC actuellement utilisées sont généralement composées :
  • D’une couche de silicium qui permet d’assurer la protection contre l’oxydation ;
  • D’une couche de disilicate de terre rare (généralement Y ou Yb) de formule RE2Si2O7(où RE signifie terre rare) qui permet de faire barrière de diffusion aux espèces oxydantes et de protéger le CMC contre la corrosion à haute température.
  • Et d’une couche de monosilicate d’yttrium Y2SiO5(en abrégé MSY) qui permet d’assurer la résistance à la récession et aux CMAS.
Dans le domaine de l’aéronautique, les pièces cibles pour cette application sont, entre autres, les pièces de turbine, telles que les aubes ou les distributeurs, pour lesquelles il est nécessaire de déposer un revêtement sur le bord d’attaque et le bord de fuite des pales, de manière à protéger les pièces contre la corrosion. Toutefois, ce dépôt doit être le plus fin possible, afin de ne pas perturber les performances aérodynamiques de la pièce revêtue.
Il peut s'agir aussi de pièces présentant des trous, des reliefs et plus généralement des variations de forme, que ces variations soient complexes ou non.
Une contrainte forte sur ces pièces complexes est donc l’obtention d’un revêtement homogène et fin (généralement inférieur à 100µm pour l’ensemble des trois couches comprises) et plus particulièrement :
  • Épaisseur de la sous-couche en silicium : typiquement inférieure à 30µm ;
  • Epaisseur de la couche de RE2Si2O7de l’ordre de 30µm ;
  • Epaisseur de la couche de MSY de l’ordre de 10µm.
La couche de silicium est généralement déposée par voie sèche, à savoir par projection thermique ou par dépôt chimique en phase vapeur (en abrégé CVD), alors que les couches de silicates de terre rare peuvent être déposées par voie sèche ou par voie humide.
Ainsi, en termes de dépôt par voie humide, on connaît l’électrophorèse qui est un procédé par voie humide selon lequel on trempe la pièce dans une suspension liquide de poudre de silicate de terre rare sous un champ électrique. La pièce, qui se situe à l’anode ou à la cathode selon sa polarité, va être progressivement recouverte d’un dépôt grâce à la mobilité de la poudre sous l’influence du champ électrique.
Le procédé électrophorétique est généralement retenu, car il permet d’élaborer des revêtements fins sur des pièces complexes, contrairement à la projection thermique, qui est un procédé directif et qui n’est donc pas adapté à la protection de pièces complexes.
Par ailleurs, du fait que la projection thermique utilise de la poudre dont la taille est de l’ordre de 60µm, cela permet raisonnablement de réaliser des couches couvrantes d’une épaisseur minimale de l’ordre de 100µm. Ainsi, ce procédé ne peut être retenu pour l’élaboration de revêtements sur des bords d’attaque/bords de fuite où l’épaisseur maximale du revêtement dans sa totalité est de 100µm.
Enfin, en ce qui concerne les procédés de dépôts en phase vapeur d’oxyde mixte de silicate de terre rare, on constate, en ce qui concerne le dépôt chimique en phase vapeur, que la chimie n’est pas maitrisée et, en ce qui concerne le dépôt physique en phase vapeur (en abrégé PVD), que les épaisseurs demandées sont trop importantes.
L’utilisation du procédé électrophorétique ne permet toutefois pas de recouvrir de manière homogène les singularités d’une pièce, ne serait-ce que les bords d’une éprouvette. Plus précisément, les effets de concentration de champ électrique conduisent soit à des surépaisseurs locales, soit à des manques de matière. Ainsi, cela conduit à des manques de matière en sommet de pièce et, au contraire, à de la rétention de matière dans les creux de la pièce. On peut parler alors "d'effet géométrique".
C'est particulièrement visible au sein du tissage qui constitue la trame de la pièce en CMC, lequel tissage se traduit par une alternance de creux et de bosses.
Or, ces différences d’épaisseur sont préjudiciables pour le revêtement, car :
  • dans les zones où il y a un manque de matière : il n’y a pas assez de revêtement pour jouer son rôle de protection contre la corrosion ;
  • dans les zones où il y a des surépaisseurs, le revêtement peut fissurer du fait de la forte épaisseur qui engendre des contraintes thermomécaniques élevées durant l’étape finale de frittage.
Pour pallier ces difficultés, on a proposé dans le document FR3084377 d’introduire dans le bain d’électrophorèse, des charges conductrices, ce qui permet normalement d’obtenir des revêtements homogènes et d’épaisseur uniforme.
Toutefois, le présent demandeur a constaté que la technique décrite dans ce document était encore perfectible. En effet, l’utilisation de charges carbonées conduit à l’obtention de revêtements poreux ne permettant pas d’assurer un rôle optimal de protection du revêtement contre les phénomènes d’oxydation-corrosion. Par ailleurs, l’utilisation de sels métalliques, tel que le I2, réagit avec le disilicate, dégradant ainsi ses propriétés de protection contre l’oxydation-corrosion.
Il est par ailleurs connu d'utiliser une solution de disilicate de terre rare, en combinaison avec du bore (en vue de la densification de la barrière environnementale) et un oxyde de fer (remplissant le rôle d'agent de frittage). Mais le même problème que celui décrit ci-dessus est constaté.
La présente invention a justement pour but d’apporter une solution à ce problème.
PRESENTATION DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention se rapporte à un procédé d’élaboration d’un 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 liquide d'une composition comprenant au moins une poudre d'un silicate de terre rare ainsi que des charges conductrices ;
- E20 : séchage de la suspension appliquée ; et
- E30 : traitement thermique de frittage de la poudre du silicate de terre rare,
caractérisé en ce que l'on fait usage, à titre de charges conductrices, d'au moins un nitrate choisi dans le groupe constitué par les nitrates d'aluminium, d'yttrium et d'ytterbium selon une quantité comprise entre 0.2 et 1 millimoles par litre de suspension liquide.
Le présent demandeur a constaté avec surprise que dès lors que l'on sélectionne des sels parmi les nitrates cités ci-dessus, il était possible d'obtenir des revêtements particulièrement homogènes et d’épaisseur uniforme, à une concentration en sels aussi faible que celle également indiquée ci-dessus.
Ainsi, dans le cas de suspensions conductrices, la chute de potentiel dans la suspension est plus grande, et donc la force motrice pour la formation du revêtement devient plus faible, ce qui réduit les zones de concentrations de lignes de champ électrique. Cet ajustement de la conductivité électrique permet d’obtenir des revêtements plus homogènes et de s’affranchir des "effets de bords" et/ou des "effets géométriques".
De plus, une telle concentration permet d'augmenter très notablement la conductivité électrique de la suspension, sans en perturber la stabilité.
Par ailleurs, ces ajouts de sels formeront, après traitement thermique, de l’alumine, de l’yttrine (oxyde d’yttrium) ou de l’oxyde d’ytterbium, aidant ainsi à la densification du revêtement.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé, prises seules ou selon une combinaison quelconque techniquement compatible, d’au moins deux d’entre elles :
- 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 ;
- la teneur massique de la poudre de silicate de terre rare est comprise entre environ 0.5 à 30%, ou entre environ 1 à 10% ;
- la taille moyenne des particules de la poudre du silicate de terre rare est inférieure ou égale à environ 5µm, ou inférieure ou égale à environ 1µm ;
- 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% ;
- les agents de frittage sont soit des charges oxydes de type Fe2O3, Al2O3, MgO, CaO RE2O3(RE=Terre Rare), soit des sols précurseurs de ces oxydes, soit des sols précurseurs du silicate de terre rare ;
- que 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 ;
- ladite pièce est une pièce de turbomachine.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, un mode de réalisation possible.
Sur ces dessins :
la illustre de manière schématique, des étapes mises en œuvre afin de former une barrière environnementale selon le procédé de l'invention ;
la représente une pièce comportant un matériau céramique et une barrière environnementale formée selon l’invention ;
est une micrographie par microscope électronique à balayage du bord d'une éprouvette revêtue par électrophorèse, conformément à l'art antérieur ;
est une micrographie par microscope électronique à balayage du bord d'une éprouvette revêtue par électrophorèse, conformément au procédé selon la présente invention.

Claims (8)

  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 liquide d'une composition comprenant au moins une poudre d'un silicate de terre rare ainsi que des charges conductrices ;
    - E20 : séchage de la suspension appliquée ; et
    - E30 : traitement thermique de frittage de la poudre du silicate de terre rare,
    caractérisé en ce que l'on fait usage, à titre de charges conductrices, d'au moins un nitrate choisi dans le groupe constitué par les nitrates d'aluminium, d'yttrium et d'ytterbium selon une quantité comprise entre 0.2 et 1 millimoles par litre de suspension liquide.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que 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. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la teneur massique de la poudre de silicate de terre rare est comprise entre environ 0.5 à 30%, ou entre environ 1 à 10%.
  4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la taille moyenne des particules de la poudre du silicate de terre rare est inférieure ou égale à environ 5µm, ou inférieure ou égale à environ 1µm.
  5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que 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. Procédé selon l’une des revendications 3 à 5, en combinaison avec la revendication 2, dans lequel les agents de frittage sont soit des charges oxydes de type Fe2O3, Al2O3, MgO, CaO RE2O3(RE=Terre Rare), soit des sols précurseurs de ces oxydes, soit des sols précurseurs de silicate de terre rare.
  7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que 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.
  8. Procédé selon l’une des revendications précédentes dans lequel la pièce (10) est une pièce de turbomachine.
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