WO2016001026A1 - Piece revêtue par un revêtement de surface et procedes associes - Google Patents

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WO2016001026A1
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alloy
cobalt
nickel
surface coating
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PCT/EP2015/064203
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Emilie Courcot
Eric Philippe
Eric Bouillon
Sébastien JIMENEZ
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Herakles
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to ceramic matrix composite material (CMC) parts comprising a surface coating, their use in turbomachines and methods of manufacturing such parts.
  • CMC ceramic matrix composite material
  • Composite materials CMC are able to constitute parts intended to be exposed in service at high temperatures and have the advantage of maintaining good mechanical properties at high temperatures.
  • SiC silicon carbide
  • Oxide coatings used to improve corrosion resistance and smooth the surface can be developed by plasma spraying or flash sintering.
  • Carbide type coatings can, for their part, be made by powder coating technologies (paint, dipping dip-coating, injection or overmoulding, for example) followed by consolidation by gas.
  • the invention proposes, in a first aspect, a composite material part comprising a fiber reinforcement densified by a ceramic matrix, the part having an external surface and being characterized in that it is coated on at least a part its outer surface by a surface coating in solid form comprising, in particular consisting of, a silicon and nickel alloy having a silicon content by mass of between 29% and 45% or an alloy of silicon and cobalt.
  • the inventors have found that the presence, within the surface coating, of an alloy as described above comprising silicon and a metal constituting mainly the support on which the part is intended to be mounted (nickel or cobalt) advantageously allowed to limit the interactions between the part and the support.
  • the part according to the invention advantageously has interactions limited with the nickel-based superalloy and / or cobalt of the fixing support, and this thanks to the saturation of silicon by nickel or cobalt present in the coating.
  • “Surface coating” means a coating whose majority of the mass is present on the outer surface of the part. In other words, at least 50%, preferably at least 60%, preferably at least 70%, preferably at least 80%, preferably at least 90%, preferably at least 95%, preferably at least 100%. %, the mass of the surface coating is present on the outer surface of the part (thus outside the room).
  • the surface coating penetrates slightly into the room, for example to ensure its attachment to the latter.
  • the surface coating preferably does not penetrate the room.
  • the surface coating is attached to the outer surface of the workpiece and can penetrate the pores of the outer surface of the workpiece.
  • the silicon and nickel alloy or the silicon and cobalt alloy may be in contact with the ceramic matrix.
  • the surface coating does not densify, preferably, the fibrous reinforcement.
  • the surface coating can take the shape of the part it covers.
  • the surface of the surface coating on the opposite side of the workpiece may have the same shape as the outer surface of the workpiece.
  • the surface coating may comprise a NiSi phase 2 and / or a NiSi phase.
  • the surface coating may comprise:
  • phase of NiSi 2 and optionally a phase of Si, and / or
  • NiSi phase and optionally an Si phase.
  • the surface coating may comprise a CoSi 2 phase and optionally an Si phase.
  • the silicon and nickel alloy may have a silicon mass content of between 40% and 45%.
  • the alloy of silicon and cobalt may have a silicon mass content of between 34% and 90%, for example between 40% and 90%, for example between 42% and 70%, for example between 45% and 60%.
  • the silicon-nickel alloy or the silicon-cobalt alloy may be present in a mass content greater than or equal to 5%, preferably greater than or equal to 50%, relative to the weight of the surface coating.
  • the thickness of the surface coating may, over all or part of the outer surface of the coated part, be between 20 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 50 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the thickness of the surface coating may, for example, be less than or equal to 300 ⁇ in the blade root area and / or be less than or equal to 100 ⁇ m. in the area of the blade.
  • the thickness of the surface coating may vary as one moves along the outer surface of the workpiece.
  • Such variation of the thickness advantageously allows to have a room whose coating has different functions depending on the area.
  • the thickness of the surface coating may be substantially constant as one moves along the outer surface of the workpiece.
  • the surface coating may further comprise fillers and / or ceramic material.
  • the charges present within the surface coating may be chosen from: SiC, S13N4 or BN, and mixtures thereof.
  • the ceramic material present within the surface coating may be chosen from ceramic materials derived from the pyrolysis of preceramic resins, the preceramic resins being for example chosen from: polycarbosilanes, polysilazanes, polyborosilanes, and mixtures thereof.
  • the surface coating may, in an exemplary embodiment, have substantially the same composition when moving along the outer surface of the workpiece.
  • the composition of the surface coating varies as one moves along the outer surface of the workpiece.
  • Such a variation of the composition advantageously allows to have a room whose coating has different functions depending on the area.
  • the fibers of the fibrous reinforcement are advantageously coated with an interphase layer.
  • an interphase is advantageous insofar as it makes it possible to increase the mechanical strength of the fibers constituting the fibrous reinforcement by allowing in particular a deflection of the possible cracks of the matrix so that these do not affect the integrity fibers.
  • the interphase layer may comprise, in particular, pyrocarbon (PyC), boron doped pyrocarbon or BN.
  • the interphase layer may be multi-sequenced or not, for example comprising a repetition of [PyC / Carbide], [BC / Carbide] or [BN / Carbide] sequences.
  • the fibers of the fibrous reinforcement are advantageously coated with a barrier layer, which is, for example, in the form of a self-healing carbide matrix.
  • barrier layer advantageously makes it possible to protect the fibers against oxidation and to generate a cracking network remote from the fibrous reinforcement.
  • the part may constitute an aeronautical engine blade having at least one blade root and a blade and may be such that the surface coating covers at least the blade root.
  • the part may constitute a turbine ring sector comprising one or more attachment portions to a metal ring support structure and may be such that the surface coating covers at least one or more attachment portions. .
  • the present invention also relates to a turbomachine wheel comprising:
  • a wheel disk comprising a blade attachment part, said fixing part comprising an alloy comprising nickel and / or cobalt, and
  • the present invention also relates to a method for manufacturing a part as defined above, comprising the following steps:
  • the method may further comprise, after step a) and before step b), a step c) of depositing on the external surface of the composite material part of a second set of charges and / or a preceramic resin and the process may be such that the alloy of silicon and nickel or the alloy of silicon and cobalt in the molten state infiltrates during step b) within the second set of charges and / or preceramic resin to form the surface coating.
  • the charges of the second set of charges may or may not be reactive.
  • the non-reactive charges of the second set of charges may, for example, be chosen from: SiC, S13IM4 or BN, and their mixtures.
  • the reactive charges of the second set of charges may, for example, be chosen from: C, B 4 C, SiB 6 , and mixtures thereof.
  • the silicon and nickel alloy or the molten silicon and cobalt alloy may react chemically with the reactive charges deposited in step c) when it is brought into contact with the latter.
  • the alloy of silicon and nickel or the alloy of silicon and cobalt can, once solidified, participate in ensuring the bond charges deposited in step c).
  • the method according to the invention can therefore implement two steps of infiltration in the molten state ("melt-infiltration"), the first to form the ceramic matrix and the second to form the surface coating.
  • the deposit made during step c) may advantageously be of variable thickness and / or of variable composition when moving along the outer surface of the part, for example according to the different functional areas of the part.
  • Such a deposit advantageously makes it possible to obtain a coating having different functions depending on the position on the outer surface of the part.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a part as defined above, comprising a step:
  • the formation of the surface coating may comprise a step of contacting an alloy of silicon and nickel or a silicon and cobalt alloy in the molten state with fillers, for example reactive fillers or alternatively non-reactive fillers, and / or with a preceramic resin.
  • fillers for example reactive fillers or alternatively non-reactive fillers, and / or with a preceramic resin.
  • Non-reactive fillers may, for example, be selected from: SiC, Si 3 N 4 or BN, and mixtures thereof.
  • Reactive loads can, for example, be chosen from: C, B 4 C, SiB 6 , and mixtures thereof.
  • the alloy of silicon and nickel or the alloy of silicon and cobalt in the molten state can react chemically with the reactive charges when it comes into contact with the latter.
  • the silicon-nickel alloy or the silicon-cobalt alloy can, once solidified, participate in bonding the charges.
  • the part can be covered, before melting of the alloy of silicon and nickel or of the alloy of silicon and cobalt, on its external surface by a precursor coating layer comprising, on the one hand, the silicon alloy and nickel or the alloy of silicon and cobalt and, on the other hand, fillers, for example reactive fillers or alternatively non-reactive fillers, and / or preceramic resin.
  • a precursor coating layer comprising, on the one hand, the silicon alloy and nickel or the alloy of silicon and cobalt and, on the other hand, fillers, for example reactive fillers or alternatively non-reactive fillers, and / or preceramic resin.
  • FIG. 1 represents a schematic and partial section of a part according to the invention
  • FIG. 2 is a flow diagram of an exemplary method for preparing a part according to the invention
  • FIG. 3 is a more detailed flow chart of an exemplary method for preparing a part according to the invention.
  • FIG. 4 is a flow diagram of an alternative method for preparing a part according to the invention.
  • FIG. 5 is a perspective view of a part according to the invention constituting a turbomachine blade
  • FIG. 6 is a perspective view of a turbomachine wheel according to the invention.
  • FIG. 1 shows a section of a part 1 made of composite material comprising a fibrous reinforcement (not shown) densified by a ceramic matrix 2.
  • the part 1 has on its surface external 3 a surface coating in solid form 4 comprising a, in particular formed of a silicon alloy and nickel or an alloy of silicon and cobalt.
  • the surface coating 4 may further comprise fillers and / or ceramic material.
  • the surface coating 4 does not penetrate within the matrix 2.
  • the surface coating 4 remains, in fact, in the example shown entirely on the outer surface 3 of the piece 1. We do not leave the frame of the invention if the surface coating penetrates within the matrix as the majority of the mass of the latter remains on the outer surface of the part (and therefore outside thereof).
  • the thickness e of the surface coating 4 may, as illustrated, be substantially constant as one moves along the outer surface 3 of the part. In a variant not shown, the thickness e of the surface coating varies as one moves along the outer surface of the part.
  • the surface coating 4 can, as illustrated, take the shape of the piece 1.
  • the surface S of the surface coating located on the side opposite the piece 1 has the same shape as the external surface 3 of the piece 1 .
  • the fibrous preform intended to form the fibrous reinforcement of the part according to the invention can be obtained by multilayer weaving between a plurality of warp layers and a plurality of weft layers.
  • the multilayer weave produced can be in particular an "interlock" weave, that is to say a weave weave in which each layer of weft son binds several layers of warp son with all the son of the same column weft with the same movement in the plane of the armor.
  • the weaving can be carried out with warp yarns extending in the direction longitudinal of the preform, being noted that weaving with weft yarns in this direction is also possible.
  • the son used may be silicon carbide (SiC) son provided under the name "Nicalon”, “Hi-Nicalon” or “Hi-Nicalon-S” by the Japanese company Nippon Carbon or “Tyranno SA3 "by the company UBE and having a titre (number of filaments) of 0.5K (500 filaments).
  • SiC silicon carbide
  • the fibrous reinforcement of the piece according to the invention can also be formed from a fibrous preform obtained by assembling two fibrous textures.
  • the two fibrous textures can be bonded together, for example by sewing or needling.
  • the two fibrous textures can in particular be each obtained from a layer or a stack of several layers of:
  • UD Unidirectional web
  • nD multidirectional webs
  • a fibrous preform intended to form the fibrous reinforcement of a part according to the invention can be obtained by multilayer weaving, or by stacking fibrous structures.
  • ceramic fibers in particular silicon carbide (SiC) fibers.
  • SiC silicon carbide
  • carbon fibers can also be used.
  • the densification of the fiber preform intended to form the fibrous reinforcement of the part according to the invention consists in filling the porosity of the preform, in all or part of the volume thereof, with the material constituting the matrix. This densification can for example be carried out in a manner known per se according to the liquid process (CVL) or the gaseous process (CVI), or alternatively in a sequence of these two processes.
  • the liquid process consists of impregnating the preform with a liquid composition containing a precursor of the matrix material.
  • the precursor is usually in the form of a polymer, such as a resin, optionally diluted in a solvent.
  • the preform is placed in a mold which can be sealed with a housing having the shape of the molded end piece. Then, the mold is closed and the liquid matrix precursor (for example a resin) is injected throughout the housing to impregnate the entire fibrous portion of the preform.
  • the conversion of the precursor into a matrix is carried out by heat treatment, generally by heating the mold, after removal of the optional solvent and crosslinking of the polymer, the preform being always maintained in the mold having a shape corresponding to that of the part to be produced.
  • the heat treatment comprises a step of pyrolysis of the precursor to form the ceramic matrix.
  • liquid precursors of ceramics in particular of SiC, may be polycarbosilane (PCS) or polytitanocarbosilane (PTCS) or polysilazane (PSZ) type resins.
  • PCS polycarbosilane
  • PTCS polytitanocarbosilane
  • PSZ polysilazane
  • the densification of the fiber preform can also be carried out, in a known manner, by gaseous method by chemical vapor infiltration of the matrix (CVI).
  • CVI chemical vapor infiltration of the matrix
  • the fiber preform corresponding to the structure to be produced is placed in an oven in which a gaseous reaction phase is admitted.
  • the pressure and the temperature prevailing in the furnace and the composition of the gas phase are chosen so as to allow the diffusion of the gas phase within the porosity of the preform to form the matrix by depositing, at the core of the material in contact with the fibers, a solid material resulting from a decomposition of a component of the gas phase or a reaction between several components.
  • the formation of an SiC matrix can be obtained with methyltrichlorosilane (MTS) giving SiC by decomposition of the MTS.
  • MTS methyltrichlorosilane
  • a densification combining liquid route and gaseous route can also be used to facilitate implementation, limit costs and production cycles while obtaining satisfactory characteristics for the intended use.
  • the part may comprise a reinforcement of carbon fibers and / or ceramic densified by a ceramic matrix, for example chosen from SiC / Si, Si3N 4 / SiC / Si, SiB or SiMo matrices.
  • a ceramic matrix for example chosen from SiC / Si, Si3N 4 / SiC / Si, SiB or SiMo matrices.
  • melt -infiltration it is possible to manufacture the part according to the invention by implementing other methods for densifying the fibrous reinforcement with a ceramic matrix such as in particular melt infiltration processes ("melt -infiltration ").
  • FIGS. 2 to 4 will now describe processes for preparing parts according to the invention which implement a step of infiltrating a fibrous preform in order to form the ceramic matrix.
  • FIG. 2 is a flow chart showing the steps of a first exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • a fibrous preform having reactive fillers for example selected from SiC, SiO 4 , C, B and mixtures thereof, is first infiltrated by a melt infiltration composition comprising silicon (step 10). After reaction between the infiltration composition and the reactive charges, a piece of composite material comprising a ceramic matrix is obtained. During the reaction between the infiltration composition and the reactive charges, substantially all of the reactive charges can be consumed. Alternatively, only a portion of the reactive charges are consumed during this reaction.
  • the infiltration composition may consist of molten silicon or alternatively may be in the form of a molten silicon alloy and one or more other components.
  • the constituent (s) present at Within the silicon alloy may be selected from B, Al, Mo, Ti, and mixtures thereof.
  • the fibers of the fibrous reinforcement may, before infiltration of the infiltration composition, have been coated with an interphase layer, for example silicon-doped BN or BN, as well as with a carbide layer, for example made of SiC and / or S13N4, for example made by gas.
  • an interphase layer for example silicon-doped BN or BN
  • a carbide layer for example made of SiC and / or S13N4, for example made by gas.
  • the matrix may be obtained by reaction between solid charges, for example of C, SiC or Si 3 N 4 introduced by slip or prepreg, and a molten alloy based on silicon.
  • the reaction can occur at a temperature greater than or equal to 1420 ° C.
  • the fibrous reinforcement may consist of thermostable fibers, for example of the Hi-Nicalon or even Hi-Nicalon S type.
  • step 20 it is then possible to proceed to an optional step of depositing charges and / or a preceramic resin on the outer surface of the part (step 20).
  • the step 30 carried out thereafter consists in applying on the outer surface of the CMC part an alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt in the molten state, this alloy having a melting temperature below the temperature melting of the infiltration composition which made it possible to form the ceramic matrix for densifying the fibrous reinforcement.
  • the alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt in the molten state can infiltrate these charges and / or this resin during step 30.
  • melt-infiltration two successive steps of infiltration in the melt
  • step 10 the first to make the ceramic matrix
  • step 30 the second to achieve the surface coating
  • FIG. 3 shows a more detailed flow chart of a method for manufacturing a part according to the invention according to the variant represented in FIG. 2.
  • This method may comprise the following steps: - Preparation of a fiber preform, for example based on Hi-Nicalon S fibers (step 5), for example by weaving and preforming liquid and / or gaseous, the fibers of the fiber preform being coated with a layer of interphase (step 6), for example PyC or BN, and a coating for (i) avoiding a reaction between the infiltration composition on the one hand and the fibers and the interphase on the other part and (ii) consolidate the fiber preform (step 7), the coating being for example carbide, for example SiC, B 4 C and / or SiBC, and may include a self-healing matrix, the coating can be deposited by CVI,
  • step 8 this step is optional in the embodiment considered
  • a first set of fillers for example reactive fillers, by slip ("slurry cast") (step 9), the fillers being chosen, for example, from SiC, SiO 4 , C, B, and mixtures thereof, and the excess of surface charges being optionally eliminated wholly or partially at the end of "slurry cast",
  • step 10 melt infiltration process
  • step 10 melt infiltration process
  • a second set of charges for example chosen from: SiC, SiO 4 , C, MO 2 C, B 4 C and mixtures thereof, and / or a preceramic resin, for example PCS, PSZ or a phenolic resin, the deposition being for example carried out by soaking ("dip-coating"), overmoulding or RTM, the deposition carried out being of variable thickness and / or variable composition when moving along the outer surface of the part, for example according to different functional areas of the part, in the example illustrated in FIG. 3, a deposition of SiC charges has been realized,
  • step 30 infiltration of the outer surface of the part with an alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt in the molten state, the alloy having a melting point lower than that of the infiltration composition (step 30) this infiltration possibly being preceded by a stage of deoxidation of the part and the alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt,
  • step 31 this step is optional in the exemplary embodiment considered).
  • the process of FIG. 4 applies whatever the method of preparation of the composite material part (ie not only for parts made of composite material whose ceramic matrix has been obtained by infiltration in the molten state).
  • the composite material part may, firstly, be covered on its outer surface by a precursor coating layer comprising both the alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt and fillers and / or a resin pre-ceramic (optional step 70).
  • step 80 the alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt in the molten state is present on the outer surface of the composite material part to form the surface coating. If the optional step 70 has been performed, the alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt in the molten state is contacted with the charges and / or the resin (optional step 90).
  • the following is a more detailed example of a method for preparing a part according to the invention according to the variant shown in FIG. 4.
  • the method may comprise the following steps:
  • a precursor coating layer comprising reactive fillers, for example selected from SiC, C, S13N4, Mo 2 C, B 4 C and mixtures thereof, and / or a preceramic resin, for example PCS, PSZ or a phenolic resin, and / or an alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt, the coating precursor layer being formed for example after soaking ("dip-coating"), overmoulding or RTM, the precursor coating layer being be of variable thickness and / or variable composition when moving along the outer surface of the part, for example according to the different functional areas of the part, the precursor coating layer may, in addition, possibly smooth all or part of the area of the outer surface of the part on which it is formed, and
  • the invention is applicable to various types of turbomachine blades, in particular compressor and turbine blades of different gas turbine bodies, for example a low-pressure turbine wheel vane, such as that illustrated in FIG. 5. .
  • the blade 100 of FIG. 5 comprises, in a well-known manner, a blade 101, a foot 102 formed by a part of greater thickness, for example with a bulbous section, extended by a stilt 103, an inner platform 110 located between the stilt 103 and the blade 101 and an outer platform or heel 120 in the vicinity of the free end of the blade.
  • the blade root 102 is, in the example illustrated, covered by a surface coating comprising an alloy of silicon and nickel or an alloy of silicon and cobalt (not shown).
  • the blade root is coated with a first surface coating comprising an alloy of silicon and nickel or silicon and cobalt and the blade is coated with a second coating surface, identical or different from the first surface coating, for example to smooth the surface of said blade.
  • FIG. 6 shows an example of a turbomachine wheel 200 according to the invention.
  • the parts according to the invention can be fixed on different types of turbine rotors, in particular compressor and compressor rotors.
  • turbine of different gas turbine bodies for example a low pressure turbine (LP) impeller, such as that illustrated in FIG.
  • LP low pressure turbine
  • FIG. 6 shows a turbomachine wheel 200 comprising a hub 130 on which are mounted a plurality of blades 100 according to the invention, each blade 100 comprising a base 102 formed by a part of greater thickness, for example with shaped section. bulb, which is engaged in a corresponding housing 131 formed at the periphery of the hub 130 and a blade 101.
  • the housing wall 131 comprises nickel and / or cobalt.
  • the wheel 200 further comprises a plurality of blade heel elements 120 mounted on each of the blades 100.
  • Parts according to the invention can be attached to turbines of low or high pressure turbojets.
  • the parts according to the invention can equip turbojets, for example CFM 56 type, LEAP X or M88.
  • the parts according to the invention can also equip gas turbines.
  • This texture was placed in a graphite shaper to obtain a fiber content of 40% by volume.
  • the texture maintained in the shaper was then consolidated by a chemical vapor infiltration process in order to deposit on the fibers a layer of boron nitride (BN) and a layer of silicon carbide.
  • BN boron nitride
  • the consolidated texture was extracted from the shaper and a new step of chemical vapor infiltration was performed to complete the densification of the texture and deposit in its porosity silicon carbide.
  • the consolidated and partially densified texture thus obtained had a density of 2.0 and a residual porosity of 30% by volume.
  • a slurry comprising an aqueous liquid medium loaded to 20% by volume of a silicon carbide powder was injected into the partially densified consolidated texture by a submicron powder suction process.
  • the silicon carbide powder used had a particle size d50 of 0.6 ⁇ .
  • the texture impregnated with the slurry was then placed in an oven and dried for three hours at 60 ° C. At the end of this step, the resulting texture had a density of 2.3 and a porosity of 23% by volume.
  • the densification of the texture thus obtained was then finalized by infiltration of silicon in the molten state.
  • a boron nitride anti-wetting composition was applied to the faces of the texture to prevent molten silicon from spilling out of the workpiece.
  • the texture was then infiltrated with silicon in the molten state.
  • the infiltration by the molten silicon was carried out under 5 mbar of argon with two consecutive temperature stages:
  • the piece was placed on a C / C drain which allowed it to be fed with silicon.
  • the anti-wetting composition was removed by cleaning with distilled water and ultrasound.
  • the part had a density of 2.8 and a porosity of the order of 2% by volume.
  • the outer surface of the part obtained was then coated with a coating composition comprising particles of silicon carbide particle size 9 ⁇ , polycarbosilane and a solvent (xylene).
  • the polycarbosilane was then crosslinked under argon by carrying out the following heat treatment:
  • the polycarbosilane was then pyrolyzed under nitrogen at 900 ° C for 1 hour (mounted at 100 ° C / hour).
  • a silicon carbide phase resulting from the pyrolysis of the PCS and a particulate phase of silicon carbide were present on the outer surface of the composite material part.
  • a silicon-nickel alloy in the molten state having a nickel atomic content of 44% and a silicon atomic content of 56% (corresponding to a silicon content in the alloy of about 38%). applied to infiltrate the silicon carbide phases present on the surface.
  • the infiltration by the alloy of silicon and nickel was carried out under secondary vacuum with two consecutive temperature stages:
  • the zone to be densified by the alloy is in contact with a carbon mat which is used to feed the alloy part.
  • a solid coating 100 m thick was obtained.

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Abstract

L'invention concerne une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique, la pièce présentant une surface externe et étant caractérisée en ce qu'elle est revêtue sur au moins une partie de sa surface externe par un revêtement de surface sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel présentant une teneur massique en silicium comprise entre 29% et 45 % ou un alliage de silicium et de cobalt.

Description

Pièce revêtue par un revêtement de surface et procédés associés
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne des pièces en matériau composite à matrice céramique (CMC) comportant un revêtement de surface, leur utilisation au sein de turbomachines ainsi que des procédés de fabrication de telles pièces.
Les matériaux composites CMC sont aptes à constituer des pièces destinées à être exposées en service à des températures élevées et présentent l'avantage de conserver de bonnes propriétés mécaniques à haute température.
Il est connu de traiter la surface des matériaux CMC en fonction des applications envisagées pour ces derniers. On peut par exemple réaliser, sur la surface du CMC, les revêtements suivants :
- revêtement de lissage pour la zone de pâle d'aube de turbine afin d'améliorer le caractère aérodynamique,
- barrière environnementale pour protéger le carbure de silicium (SiC) du phénomène de corrosion humide à haute température, ou
- revêtement permettant de limiter les phénomènes d'usure et d'usure de contact (« fretting ») aux interfaces.
Actuellement, les revêtements fonctionnels sont réalisés sur le matériau composite à son stade final d'élaboration.
Il existe donc un découplage total entre la fabrication du CMC et la formation de son revêtement. Les revêtements à base d'oxydes utilisés pour améliorer la tenue à la corrosion et lisser la surface peuvent être élaborés par projection plasma ou frittage flash. Les revêtements de type carbure peuvent, quant à eux, être réalisés par des technologies de dépose de poudre (peinture, trempage « dip-coating », injection ou surmoulage, par exemple) suivis d'une consolidation par voie gazeuse.
Les procédés actuels de fabrication de pièces en CMC revêtues présentent principalement deux inconvénients.
D'une part, ces procédés peuvent comporter un nombre élevé d'étapes et peuvent donc être relativement complexes et coûteux. D'autre part, l'accrochage sur le matériau composite du revêtement obtenu peut ne pas être entièrement satisfaisant du fait du découplage existant entre la fabrication du CMC et la formation de son revêtement. Par ailleurs, un autre problème est à prendre en considération pour les pièces en CMC lequel concerne les interactions chimiques que peuvent subir ces pièces avec le support sur lequel elles sont montées lors de leur utilisation. De telles interactions peuvent être problématiques dans la mesure où elles peuvent conduire à un endommagement des pièces en CMC et/ou des pièces métalliques.
Il existe donc un besoin pour obtenir de nouvelles pièces en CMC présentant des interactions limitées avec le support sur lequel elles sont destinées à être montées lors de leur utilisation.
II existe aussi un besoin pour obtenir de nouvelles pièces en
CMC présentant une résistance accrue aux phénomènes d'usure de contact (« fretting »).
Il existe encore un besoin pour obtenir des procédés plus simples et moins coûteux de préparation de pièces en CMC recouvertes par un revêtement.
Obiet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique, la pièce présentant une surface externe et étant caractérisée en ce qu'elle est revêtue sur au moins une partie de sa surface externe par un revêtement de surface sous forme solide comportant, notamment consistant en, un alliage de silicium et de nickel présentant une teneur massique en silicium comprise entre 29% et 45 % ou un alliage de silicium et de cobalt.
La mise en œuvre de tels alliages au sein du revêtement permet avantageusement de limiter les interactions, notamment les réactions chimiques, entre la pièce, d'une part, et le matériau constitutif du support sur lequel la pièce est destinée à être montée lors de son utilisation, d'autre part.
Ainsi, les inventeurs ont constaté que la présence, au sein du revêtement de surface, d'un alliage tel que décrit plus haut comportant du silicium ainsi qu'un métal constituant majoritairement le support sur lequel la pièce est destinée à être montée (nickel ou cobalt) permettait avantageusement de limiter les interactions entre la pièce et le support. Ainsi, la pièce selon l'invention présente avantageusement des interactions limitées avec le superalliage à base de nickel et/ou cobalt du support de fixation, et ce grâce à la saturation du silicium par le nickel ou le cobalt présents au sein du revêtement.
Par « revêtement de surface », il faut comprendre un revêtement dont la majorité de la masse est présente sur la surface externe de la pièce. En d'autres termes, au moins 50%, de préférence au moins 60%, de préférence au moins 70%, de préférence au moins 80%, de préférence au moins 90%, de préférence au moins 95%, de préférence sensiblement 100%, de la masse du revêtement de surface est présente sur la surface externe de la pièce (donc à l'extérieur de la pièce).
Il est possible que le revêtement de surface pénètre légèrement dans la pièce, par exemple pour assurer sa fixation à cette dernière. Toutefois, le revêtement de surface ne pénètre, de préférence, sensiblement pas dans la pièce.
Le revêtement de surface est fixé à la surface externe de la pièce et peut pénétrer dans les pores de la surface externe de la pièce.
L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peuvent être au contact de la matrice céramique.
Par ailleurs, le revêtement de surface ne densifie, de préférence, pas le renfort fibreux. Le revêtement de surface peut reprendre la forme de la pièce qu'il revêt. Ainsi, la surface du revêtement de surface située du côté opposé à la pièce peut avoir la même forme que la surface externe de la pièce.
Dans un exemple de réalisation, le revêtement de surface peut comporter une phase de NiSi2 et/ou une phase de NiSi. En particulier, le revêtement de surface peut comporter :
- une phase de NiSi2 et éventuellement une phase de Si, et/ou
- une phase de NiSi et éventuellement une phase de Si.
Dans un exemple de réalisation, le revêtement de surface peut comporter une phase de CoSi2 et éventuellement une phase de Si.
De préférence, l'alliage de silicium et de nickel peut présenter une teneur massique en silicium comprise entre 40% et 45%.
De préférence, l'alliage de silicium et de cobalt peut présenter une teneur massique en silicium comprise entre 34% et 90%, par exemple entre 40% et 90%, par exemple entre 42% et 70%, par exemple entre 45% et 60%.
L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut être présent en une teneur massique supérieure ou égale à 5%, de préférence supérieure ou égale à 50%, par rapport à la masse du revêtement de surface.
L'épaisseur du revêtement de surface peut, sur tout ou partie de la surface externe de la pièce revêtue, être comprise entre 20μιη et lOOOprn, de préférence entre 50pm et 300μηη.
En particulier, lorsque la pièce constitue une aube de moteur aéronautique, l'épaisseur du revêtement de surface peut, par exemple, être inférieure ou égale à 300 μιη dans la zone du pied d'aube et/ou être inférieure ou égale à 100 pm dans la zone de la pale.
L'épaisseur du revêtement de surface peut varier lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce.
Une telle variation de l'épaisseur permet avantageusement de disposer d'une pièce dont le revêtement présente différentes fonctions selon la zone considérée.
En variante, l'épaisseur du revêtement de surface peut être sensiblement constante lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce.
Le revêtement de surface peut, en outre, comporter des charges et/ou un matériau céramique.
Les charges présentes au sein du revêtement de surface peuvent être choisies parmi : SiC, S13N4 ou BN, et leurs mélanges.
Le matériau céramique présent au sein du revêtement de surface peut être choisi parmi les matériaux céramiques issus de la pyrolyse de résines précéramiques, les résines précéramiques étant par exemple choisies parmi : les polycarbosilanes, les polysilazanes, les polyborosilanes, et leurs mélanges.
Le revêtement de surface peut, dans un exemple de réalisation, présenter sensiblement la même composition lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce.
En variante, la composition du revêtement de surface varie lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce. Une telle variation de la composition permet avantageusement de disposer d'une pièce dont le revêtement présente différentes fonctions selon la zone considérée.
Les fibres du renfort fibreux sont avantageusement revêtues d'une couche d'interphase.
L'utilisation d'une interphase est avantageuse dans la mesure où elle permet d'accroître la résistance mécanique des fibres constituant le renfort fibreux en permettant notamment une déviation des fissures éventuelles de la matrice afin que celles-ci n'affectent pas l'intégrité des fibres.
La couche d'interphase peut comporter, notamment consister en, du Pyrocarbone (PyC), du Pyrocarbone dopé par du bore ou du BN. La couche d'interphase peut être multi-séquencée ou non, comportant par exemple une répétition de séquences [PyC/Carbure], [BC/Carbure] ou [BN/Carbure].
Les fibres du renfort fibreux sont avantageusement revêtues d'une couche barrière, laquelle est par exemple sous la forme d'une matrice carbure auto-cicatrisante.
L'utilisation d'une telle couche barrière permet avantageusement de protéger les fibres contre l'oxydation et de générer un réseau de fissuration éloigné du renfort fibreux.
La pièce peut constituer une aube de moteur aéronautique comportant au moins un pied d'aube et une pale et peut être telle que le revêtement de surface recouvre au moins le pied d'aube. En variante, la pièce peut constituer un secteur d'anneau de turbine comportant une ou plusieurs portions d'accrochage à une structure de support d'anneau métallique et peut être telle que le revêtement de surface recouvre au moins la ou lesdites portions d'accrochage.
La présente invention vise également une roue de turbomachine comportant :
- un disque de roue comportant une partie de fixation d'aube, ladite partie de fixation comportant un alliage comportant du nickel et/ou du cobalt, et
- une aube telle que définie plus haut fixée au disque de roue, le pied d'aube étant monté sur la partie de fixation d'aube. La présente invention vise également un procédé pour la fabrication d'une pièce telle que définie plus haut, comportant les étapes suivantes :
a) infiltration d'une préforme fibreuse comportant un premier ensemble de charges, par exemple un premier ensemble de charges réactives, avec une composition d'infiltration à l'état fondu, la composition d'infiltration comportant du silicium et ayant une première température de fusion, afin d'obtenir, après mise en contact de la composition d'infiltration avec tout ou partie des charges du premier ensemble de charges, une pièce en un matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique, et
b) application sur au moins une partie de la surface externe de la pièce en matériau composite d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt ayant une deuxième température de fusion inférieure à la première température de fusion, afin d'obtenir un revêtement de surface sous forme solide sur au moins une partie de la surface externe de la pièce en matériau composite.
La mise en œuvre d'un tel procédé permet avantageusement de simplifier la préparation d'une pièce en CMC recouverte d'un revêtement de surface.
Le fait d'utiliser un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt de température de fusion inférieure à la température de fusion de la composition d'infiltration permet avantageusement, lors de la formation du revêtement de surface, de ne pas faire fondre, à nouveau, la composition d'infiltration qui n'aurait pas réagi.
Le procédé peut en outre comporter, après l'étape a) et avant l'étape b), une étape c) de dépôt sur la surface externe de la pièce en matériau composite d'un deuxième ensemble de charges et/ou d'une résine précéramique et le procédé peut être tel que l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu s'infiltre lors de l'étape b) au sein du deuxième ensemble de charges et/ou de la résine précéramique afin de former le revêtement de surface.
Les charges du deuxième ensemble de charges peuvent ou non être réactives. Les charges non réactives du deuxième ensemble de charges peuvent, par exemple, être choisies parmi : SiC, S13IM4 ou BN, et leurs mélanges. Les charges réactives du deuxième ensemble de charges peuvent, par exemple, être choisies parmi : C, B4C, SiB6, et leurs mélanges.
L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu peut réagir chimiquement avec les charges réactives déposées lors de l'étape c) lors de sa mise en contact avec ces dernières. En variante, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut, une fois solidifié, participer à assurer la liaison des charges déposées lors de l'étape c).
Le procédé selon l'invention peut donc mettre en œuvre deux étapes d'infiltration à l'état fondu (« melt-infiltration »), la première pour former la matrice céramique et la seconde pour former le revêtement de surface.
Le fait d'utiliser deux fois le même type de procédé contribue avantageusement à simplifier la préparation de la pièce revêtue.
Le dépôt effectué lors de l'étape c) peut avantageusement être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce, par exemple suivant les différentes zones fonctionnelles de la pièce.
Un tel dépôt permet avantageusement d'obtenir un revêtement présentant différentes fonctions selon la position sur la surface externe de la pièce.
La présente invention vise également un procédé de fabrication d'une pièce telle que définie plus haut, comportant une étape :
- de formation sur la surface externe d'une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique d'un revêtement de surface sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt.
La formation du revêtement de surface peut comporter une étape de mise en contact d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu avec des charges, par exemple des charges réactives ou en variante des charges non réactives, et/ou avec une résine précéramique.
Les charges non réactives peuvent, par exemple, être choisies parmi : SiC, Si3N4 ou BN, et leurs mélanges. Les charges réactives peuvent, par exemple, être choisies parmi : C, B4C, SiB6, et leurs mélanges.
L'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu peut réagir chimiquement avec les charges réactives lors de sa mise en contact avec ces dernières. En variante, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt peut, une fois solidifié, participer à assurer la liaison des charges.
La pièce peut être recouverte, avant fusion de l'alliage de silicium et de nickel ou de l'alliage de silicium et de cobalt, sur sa surface externe par une couche précurseur de revêtement comportant, d'une part, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt et, d'autre part, les charges, par exemple les charges réactives ou en variante les charges non réactives, et/ou la résine précéramique. Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente une section schématique et partielle d'une pièce selon l'invention,
- la figure 2 est un ordinogramme d'un exemple de procédé de préparation d'une pièce selon l'invention,
- la figure 3 est un ordinogramme plus détaillé d'un exemple de procédé de préparation d'une pièce selon l'invention,
- la figure 4 est un ordinogramme d'une variante de procédé de préparation d'une pièce selon l'invention,
- la figure 5 est une vue en perspective d'une pièce selon l'invention constituant une aube de turbomachine, et
- la figure 6 est une vue en perspective d'une roue de turbomachine selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
On a représenté, à la figure 1, une section d'une pièce 1 en matériau composite comportant un renfort fibreux (non représenté) densifié par une matrice céramique 2. La pièce 1 présente sur sa surface externe 3 un revêtement de surface sous forme solide 4 comportant un, notamment formé d'un, alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt.
Le revêtement de surface 4 peut, en outre, comporter des charges et/ou un matériau céramique.
Comme illustré, le revêtement de surface 4 ne pénètre pas au sein de la matrice 2. Le revêtement de surface 4 reste, en effet, dans l'exemple illustré entièrement sur la surface externe 3 de la pièce 1. On ne sort pas du cadre de l'invention si le revêtement de surface pénètre au sein de la matrice tant que la majorité de la masse de ce dernier reste sur la surface externe de la pièce (donc à l'extérieur de celle-ci).
L'épaisseur e du revêtement de surface 4 peut comme illustré être sensiblement constante lorsque l'on se déplace le long de la surface externe 3 de la pièce. Dans une variante non illustrée, l'épaisseur e du revêtement de surface varie lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce.
Le revêtement de surface 4 peut comme illustré reprendre la forme de la pièce 1. Dans l'exemple illustré, la surface S du revêtement de surface située du côté opposé à la pièce 1 présente la même forme que la surface externe 3 de la pièce 1.
On va maintenant décrire plus en détail quelques éléments relatifs à la fabrication de matériaux composites comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique utilisables dans le cadre de la présente invention.
La préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce selon l'invention peut être obtenue par tissage multicouche entre une pluralité de couches de fils de chaîne et une pluralité de couches de trame. Le tissage multicouche réalisé peut être notamment un tissage à armure "interlock", c'est-à-dire une armure de tissage dans laquelle chaque couche de fils de trame lie plusieurs couches de fils de chaîne avec tous les fils d'une même colonne de trame ayant le même mouvement dans le plan de l'armure.
D'autres types de tissage multicouche pourront bien entendu être utilisés.
Lorsque la préforme fibreuse est réalisée par tissage, le tissage peut être réalisé avec des fils de chaîne s'étendant dans la direction longitudinale de la préforme, étant noté qu'un tissage avec des fils de trame dans cette direction est également possible.
Dans un exemple de réalisation, les fils utilisés peuvent être des fils de carbure de silicium (SiC) fournis sous la dénomination "Nicalon", « Hi-Nicalon » ou « Hi-Nicalon-S » par la société japonaise Nippon Carbon ou « Tyranno SA3 » par la société UBE et ayant un titre (nombre de filaments) de 0,5K (500 filaments).
Différents modes de tissage multicouche sont notamment décrits dans le document WO 2006/136755.
Le renfort fibreux de la pièce selon l'invention peut encore être formé à partir d'une préforme fibreuse obtenue par assemblage de deux textures fibreuses. Dans ce cas, les deux textures fibreuses peuvent être liées entre elles, par exemple par couture ou aiguilletage. Les deux textures fibreuses peuvent notamment être chacune obtenue à partir d'une couche ou d'un empilement de plusieurs couches de :
- tissu unidimensionnel (UD),
- tissu bidimensionnel (2D),
- tresse,
- tricot,
- feutre,
- nappe unidirectionnelle (UD) de fils ou câbles ou nappes multidirectionnelle (nD) obtenue par superposition de plusieurs nappes UD dans des directions différentes et liaison des nappes UD entre elles par exemple par couture, par agent de liaison chimique ou par aiguilletage.
Dans le cas d'un empilement de plusieurs couches, celles-ci sont liées entre elles par exemple par couture, par implantation de fils ou d'éléments rigides ou par aiguilletage.
Comme décrit ci-avant, une préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux d'une pièce selon l'invention peut être obtenue par tissage multicouche, ou par empilement de structures fibreuses. Pour des aubes de turbomachine destinées à une utilisation à température élevée et notamment en environnement corrosif (notamment humidité), on peut avantageusement utiliser pour le tissage des fils formés de fibres en céramique, notamment des fibres de carbure de silicium (SiC). Pour des pièces de plus courtes durées d'utilisation, des fibres de carbone peuvent être également utilisées. La densification de la préforme fibreuse destinée à former le renfort fibreux de la pièce selon l'invention consiste à combler la porosité de la préforme, dans tout ou partie du volume de celle-ci, par le matériau constitutif de la matrice. Cette densification peut par exemple être réalisée de façon connue en soi suivant le procédé par voie liquide (CVL) ou le procédé par voie gazeuse (CVI), ou encore suivant un enchaînement de ces deux procédés.
Le procédé par voie liquide consiste à imprégner la préforme par une composition liquide contenant un précurseur du matériau de la matrice. Le précurseur se présente habituellement sous forme d'un polymère, tel qu'une résine, éventuellement dilué dans un solvant. La préforme est placée dans un moule pouvant être fermé de manière étanche avec un logement ayant la forme de la pièce finale moulée. Ensuite, on referme le moule et on injecte le précurseur liquide de matrice (par exemple une résine) dans tout le logement pour imprégner toute la partie fibreuse de la préforme.
La transformation du précurseur en matrice est réalisée par traitement thermique, généralement par chauffage du moule, après élimination du solvant éventuel et réticulation du polymère, la préforme étant toujours maintenue dans le moule ayant une forme correspondant à celle de la pièce à réaliser.
Dans le cas de la formation d'une matrice céramique, le traitement thermique comporte une étape de pyrolyse du précurseur pour former la matrice céramique. A titre d'exemple, des précurseurs liquides de céramique, notamment de SiC, peuvent être des résines de type polycarbosilane (PCS) ou polytitanocarbosilane (PTCS) ou polysilazane (PSZ). Plusieurs cycles consécutifs, depuis l'imprégnation jusqu'au traitement thermique, peuvent être réalisés pour parvenir au degré de densification souhaité.
La densification de la préforme fibreuse peut également être réalisée, de façon connue, par voie gazeuse par infiltration chimique en phase vapeur de la matrice (CVI). La préforme fibreuse correspondant à la structure à réaliser est placée dans un four dans lequel est admise une phase gazeuse réactionnelle. La pression et la température régnant dans le four et la composition de la phase gazeuse sont choisies de manière à permettre la diffusion de la phase gazeuse au sein de la porosité de la préforme pour y former la matrice par dépôt, au cœur du matériau au contact des fibres, d'un matériau solide résultant d'une décomposition d'un constituant de la phase gazeuse ou d'une réaction entre plusieurs constituants.
La formation d'une matrice SiC peut être obtenue avec du méthyltrichlorosilane (MTS) donnant du SiC par décomposition du MTS.
Une densification combinant voie liquide et voie gazeuse peut être également utilisée pour faciliter la mise en œuvre, limiter les coûts et les cycles de fabrication tout en obtenant des caractéristiques satisfaisantes pour l'utilisation envisagée.
La pièce peut comporter un renfort en fibres de carbone et/ou céramique densifié par une matrice céramique par exemple choisie parmi les matrices SiC/Si, Si3N4/SiC/Si, SiB ou SiMo.
Comme il sera détaillé plus loin, il est possible de fabriquer la pièce selon l'invention en mettant en œuvre d'autres procédés pour densifier le renfort fibreux par une matrice céramique comme notamment des procédés d'infiltration à l'état fondu (« melt-infiltration »).
On va maintenant décrire, en lien avec les figures 2 à 4, des procédés de préparation de pièces selon l'invention lesquels mettent en œuvre une étape d'infiltration d'une préforme fibreuse afin de former la matrice céramique.
On a représenté à la figure 2 un ordinogramme représentant les étapes d'un premier exemple de réalisation d'un procédé selon l'invention.
Une préforme fibreuse comportant des charges réactives, par exemple choisies parmi SiC, SÏ3 4, C, B et leurs mélanges, est tout d'abord infiltrée par une composition d'infiltration à l'état fondu comportant du silicium (étape 10). Après réaction entre la composition d'infiltration et les charges réactives, une pièce en matériau composite comportant une matrice céramique est obtenue. Durant la réaction entre la composition d'infiltration et les charges réactives, sensiblement l'intégralité des charges réactives peut être consommée. En variante, seule une partie des charges réactives est consommée durant cette réaction.
La composition d'infiltration peut être constituée de silicium fondu ou en variante être sous la forme d'un alliage fondu de silicium et d'un ou plusieurs autres constituants. Le(s) constituant(s) présent(s) au sein de l'alliage de silicium peuvent être choisi(s) parmi B, Al, Mo, Ti, et leurs mélanges.
Les fibres du renfort fibreux peuvent, avant infiltration de la composition d'infiltration, avoir été revêtues d'une couche d'interphase, par exemple en BN ou BN dopé par du silicium, ainsi que d'une couche de carbure, par exemple en SiC et/ou S13N4, par exemple réalisée par voie gazeuse.
La matrice peut être obtenue par réaction entre des charges solides, par exemple de type C, SiC ou Si3N4 introduites par voie barbotine ou pré-imprégnées, et un alliage fondu à base de silicium. La réaction peut se produire à une température supérieure ou égale à 1420°C.
Compte tenu des températures élevées mises en œuvre, il peut être avantageux que le renfort fibreux soit constitué de fibres thermostables, par exemple de type Hi-Nicalon voire Hi-Nicalon S.
Une fois la matrice céramique obtenue, il est ensuite possible de procéder à une étape optionnelle de dépôt de charges et/ou d'une résine précéramique sur la surface externe de la pièce (étape 20).
L'étape 30 menée par la suite consiste à appliquer sur la surface externe de la pièce en CMC un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu, cet alliage ayant une température de fusion inférieure à la température de fusion de la composition d'infiltration ayant permis de former la matrice céramique de densification du renfort fibreux.
Lorsque des charges et/ou une résine précéramique ont été déposées sur la surface externe de la pièce (i.e. lorsqu'une étape 20 a été réalisée), l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu peut s'infiltrer au sein de ces charges et/ou de cette résine durant l'étape 30.
Ainsi, dans un tel cas, deux étapes successives d'infiltration à l'état fondu (« melt-infiltration ») sont réalisées, la première pour réaliser la matrice céramique (étape 10) puis la seconde pour réaliser le revêtement de surface (étape 30).
On a représenté à la figure 3 un ordinogramme plus détaillé d'un procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention selon la variante représentée à la figure 2. Ce procédé peut comporter les étapes suivantes : - préparation d'une préforme fibreuse, par exemple à base de fibres Hi-Nicalon S (étape 5), par exemple par tissage et préformage par voie liquide et/ou gazeuse, les fibres de la préforme fibreuse étant revêtues d'une couche d'interphase (étape 6), par exemple en PyC ou BN, et d'un revêtement permettant (i) d'éviter une réaction entre la composition d'infiltration, d'une part, et les fibres et l'interphase d'autre part et (ii) de consolider la préforme fibreuse (étape 7), le revêtement étant par exemple en carbure, par exemple en SiC, B4C et/ou SiBC, et pouvant comporter une matrice auto-cicatrisante, le revêtement pouvant être déposé par CVI,
- usinage de la préforme fibreuse (étape 8, cette étape est optionnelle dans l'exemple de réalisation considéré),
- introduction, au sein de la préforme fibreuse, d'un premier ensemble de charges, par exemple de charges réactives, par voie barbotine (« Slurry cast ») (étape 9), les charges étant par exemple choisies parmi SiC, SÏ3 4, C, B, et leurs mélanges, et l'excédent de charges en surface étant éventuellement éliminé totalement ou partiellement à l'issue du « slurry cast »,
- infiltration de la préforme fibreuse avec la composition d'infiltration à l'état fondu (étape 10 ; procédé d'infiltration à l'état fondu) pour former la matrice céramique, cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape de désoxydation de la préforme fibreuse et de la composition d'infiltration, l'infiltration permettant par exemple de former majoritairement du carbure de silicium avec un minimum de silicium résiduel,
- nettoyage du composite par exemple par opération simple de sablage ou écroutage (cette étape est optionnelle dans l'exemple de réalisation considéré),
- dépôt sur la surface externe de la pièce en matériau composite d'un deuxième ensemble de charges (étape 20), par exemple choisies parmi : SiC, SÎ3 4, C, M02C, B4C et leurs mélanges, et/ou d'une résine précéramique, par exemple de PCS, PSZ ou d'une résine phénolique, le dépôt étant par exemple effectué par trempage (« dip- coating »), surmoulage ou RTM, le dépôt effectué pouvant être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce, par exemple suivant les différentes zones fonctionnelles de la pièce, dans l'exemple illustré à la figure 3, un dépôt de charges de SiC a été réalisé,
- infiltration de la surface externe de la pièce par un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu, l'alliage ayant un point de fusion inférieur à celui de la composition d'infiltration (étape 30), cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape de désoxydation de la pièce et de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt,
- usinage de finition (étape 31 ; cette étape est optionnelle dans l'exemple de réalisation considéré).
On va à présent décrire, en référence à la figure 4, un ordinogramme représentant les étapes d'une variante d'un procédé de préparation d'une pièce selon l'invention.
A la différence des procédés précédemment exposés dans la description détaillée, le procédé de la figure 4 s'applique quel que soit le procédé de préparation de la pièce en matériau composite (i.e. pas seulement pour des pièces en matériau composite dont la matrice céramique a été obtenue par infiltration à l'état fondu).
La pièce en matériau composite peut, tout d'abord, être recouverte sur sa surface externe par une couche précurseur de revêtement comportant à la fois l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt et des charges et/ou une résine précéramique (étape optionnelle 70).
Ensuite, durant l'étape 80, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu est présent sur la surface externe de la pièce en matériau composite afin de former le revêtement de surface. Si l'étape optionnelle 70 a été réalisée, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu est mis en contact avec les charges et/ou la résine (étape optionnelle 90).
On donne ci-dessous un exemple plus détaillé d'un procédé de préparation d'une pièce selon l'invention selon la variante représentée à la figure 4. Le procédé peut comporter les étapes suivantes :
- formation, sur la surface externe d'une pièce en matériau composite, d'une couche précurseur de revêtement comportant des charges réactives, par exemple choisies parmi SiC, C, S13N4, Mo2C, B4C et leurs mélanges, et/ou une résine précéramique, par exemple PCS, PSZ ou une résine phénolique, et/ou un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt, la couche précurseur de revêtement étant par exemple formée après trempage (« dip-coating »), surmoulage ou RTM, la couche précurseur de revêtement pouvant être d'épaisseur variable et/ou de composition variable lorsque l'on se déplace le long de la surface externe de la pièce, par exemple suivant les différentes zones fonctionnelles de la pièce, la couche précurseur de revêtement pouvant, en outre, éventuellement lisser tout ou partie de la zone de la surface externe de la pièce sur laquelle elle est formée, et
- infiltration de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt à l'état fondu sur la surface externe de la pièce en matériau composite afin de former le revêtement de surface, cette infiltration étant éventuellement précédée d'une étape de désoxydation de la pièce et de l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt.
L'invention est applicable à différents types d'aubes de turbomachine, notamment des aubes de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple une aube de roue mobile de turbine basse pression, telle que celle illustrée à la figure 5.
L'aube 100 de la figure 5 comprend de façon en soi bien connue, une pale 101, un pied 102 formé par une partie de plus forte épaisseur, par exemple à section en forme de bulbe, prolongé par une échasse 103, une plateforme intérieure 110 située entre l'échasse 103 et la pale 101 et une plateforme extérieure ou talon 120 au voisinage de l'extrémité libre de la pale. Le pied d'aube 102 est, dans l'exemple illustré, recouvert par un revêtement de surface comportant un alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt (non représenté). Bien entendu, on ne sort pas du cadre de la présente invention si le pied d'aube est revêtu par un premier revêtement de surface comportant un alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt et la pale est revêtue par un deuxième revêtement de surface, identique ou différent du premier revêtement de surface, permettant par exemple de lisser la surface de ladite pale.
On a représenté à la figure 6 un exemple de roue 200 de turbomachine selon l'invention.
Les pièces selon l'invention peuvent être fixées sur différents types de rotors de turbines, notamment des rotors de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple une roue mobile de turbine basse pression (BP), telle que celle illustrée par la figure 6.
La figure 6 montre une roue 200 de turbomachine comprenant un moyeu 130 sur lequel sont montées une pluralité d'aubes 100 selon l'invention, chaque aube 100 comportant un pied 102 formé par une partie de plus forte épaisseur, par exemple à section en forme de bulbe, qui est engagée dans un logement correspondant 131 ménagé à la périphérie du moyeu 130 et une pale 101. La paroi des logements 131 comporte du nickel et/ou du cobalt.
La roue 200 comporte, en outre, plusieurs éléments de talon d'aube 120 montés sur chacune des aubes 100.
On peut fixer des pièces selon l'invention sur des turbines de turboréacteurs basse ou haute pression.
Les pièces selon l'invention peuvent équiper des turboréacteurs par exemple de type CFM 56, LEAP X ou M88. Les pièces selon l'invention peuvent aussi équiper des turbines à gaz.
Exemple
Une texture Guipex® a été utilisée afin de former le renfort fibreux d'une pièce selon l'invention. Cette texture était formée de fibres Hi-Nicalon® Type S commercialisées par la société Nippon Carbon, présentait une armure de tissage de type « Interlock » et vérifiait les caractéristiques suivantes : ratio fils de chaîne / fils de trame = 55/45, 10 fils de chaîne / cm et 7,5 fils de trame / cm.
Cette texture a été placée dans un conformateur en graphite afin d'obtenir un taux de fibres de 40% en volume. La texture maintenue dans le conformateur a alors été consolidée par un procédé d'infiltration chimique en phase vapeur afin de déposer sur les fibres une couche de nitrure de bore (BN) et une couche de carbure de silicium. La texture consolidée a été extraite du conformateur et une nouvelle étape d'infiltration chimique en phase vapeur a été réalisée afin de compléter la densification de la texture et déposer dans sa porosité du carbure de silicium. La texture consolidée et partiellement densifiée ainsi obtenue présentait une densité de 2,0 et une porosité résiduelle de 30% en volume. Une barbotine comprenant un milieu liquide aqueux chargé à 20 % en volume d'une poudre de carbure de silicium a été injectée dans la texture consolidée partiellement densifiée par un procédé d'aspiration de poudre submicronique. La poudre de carbure de silicium utilisée présentait une granulométrie d50 de 0,6 μιτι. La texture imprégnée par la barbotine a ensuite été placée dans une étuve et séchée pendant trois heures à 60°C. A l'issue de cette étape, la texture obtenue présentait une densité de 2,3 et une porosité de 23 % en volume.
La densification de la texture ainsi obtenue a alors été finalisée par infiltration de silicium à l'état fondu. Avant d'infiltrer la texture par le silicium fondu, une composition anti-mouillante à base de nitrure de bore a été appliquée sur les faces de la texture afin d'empêcher le silicium fondu de déborder à l'extérieur de la pièce. La texture a ensuite été infiltrée par du silicium à l'état fondu. L'infiltration par le silicium fondu a été réalisée sous 5 mbar d'argon avec deux paliers de température consécutifs :
- une première température de 1395°C a été imposée pendant une heure, cette température a été atteinte avec une rampe de 600°C/heure,
- une deuxième température de 1450°C a été imposée pendant 30 minutes, cette température a été atteinte avec une rampe de 120°C/heure.
Durant l'infiltration, la pièce était posée sur un drain C/C qui permettait de l'alimenter en silicium.
A l'issue de l'infiltration, la composition anti-mouillante a été éliminée par nettoyage à l'eau distillée et aux ultrasons. A ce stade, la pièce présentait une densité de 2,8 et une porosité de l'ordre de 2 % en volume.
La surface externe de la pièce obtenue a alors été revêtue par une composition de revêtement comprenant des particules de carbure de silicium de granulométrie 9 μιη, du polycarbosilane et un solvant (xylène). Le polycarbosilane a alors été réticulé sous argon par mise en œuvre du traitement thermique suivant :
- montée à 90°C en 1 heure,
- palier à 90°C pendant 1 heure,
- montée à 220°C en 100 minutes, - palier à 220°C pendant 1 heure,
- montée à 350°C en 1 heure,
- palier à 350°C pendant 1 heure,
- refroidissement naturel.
Le polycarbosilane a ensuite été pyrolysé sous azote à 900°C pendant 1 heure (montée à 100°C/heure).
Une phase de carbure de silicium issue de la pyrolyse du PCS et une phase particulaire de carbure de silicium étaient présentes sur la surface externe de la pièce en matériau composite. Un alliage de silicium et de nickel à l'état fondu ayant une teneur atomique en nickel de 44% et une teneur atomique en silicium de 56% (correspondant à une teneur massique en silicium dans l'alliage d'environ 38%) a ensuite été appliqué de manière à infiltrer les phases de carbure de silicium présentes en surface. L'infiltration par l'alliage de silicium et de nickel a été réalisée sous vide secondaire avec deux paliers de température consécutifs :
- une première température de 950°C a été imposée pendant deux heures, cette température a été atteinte avec une rampe de 600°C/heure,
- une deuxième température de 1020°C a été imposée pendant 30 minutes, cette température a été atteinte avec une rampe de
120°C/heure.
La zone à densifier par l'alliage est en contact avec un mat de carbone qui permet d'alimenter la pièce en alliage. Un revêtement solide de 100 m d'épaisseur a été obtenu.
L'expression « comportant/contenant un(e) » doit se comprendre comme « comportant/contenant au moins un(e) ».
L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Pièce (1 ; 100) en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique (2), la pièce (1 ; 100) présentant une surface externe (3) et étant caractérisée en ce qu'elle est revêtue sur au moins une partie de sa surface externe (3) par un revêtement de surface (4) sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel présentant une teneur massique en silicium comprise entre 29% et 45 % ou un alliage de silicium et de cobalt.
2. Pièce (1 ; 100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement de surface (4) comporte une phase de NiSi2 et/ou une phase de NiSi.
3. Pièce (1 ; 100) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement de surface (4) comporte une phase de CoSi2.
4. Pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt est présent en une teneur massique supérieure ou égale à 5% par rapport à la masse du revêtement de surface (4).
5. Pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le revêtement de surface (4) comporte, en outre, des charges et/ou un matériau céramique.
6. Pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'alliage de silicium et de cobalt présente une teneur massique en silicium comprise entre 34% et 90%.
7. Pièce (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle constitue une aube de moteur aéronautique comportant au moins un pied d'aube (102) et une pale (101) et en ce que le revêtement de surface (4) recouvre au moins le pied d'aube (102).
8. Roue de turbomachine (200) comportant : un disque de roue (130) comportant une partie de fixation d'aube (131), ladite partie de fixation (131) comportant un alliage comportant du nickel et/ou du cobalt, et
une pièce (100) selon la revendication 7 fixée au disque de roue (130), le pied d'aube (102) de la pièce étant monté sur la partie de fixation d'aube (131).
9. Procédé pour la fabrication d'une pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant les étapes suivantes : a) infiltration d'une préforme fibreuse comportant un premier ensemble de charges avec une composition d'infiltration à l'état fondu, la composition d'infiltration comportant du silicium et ayant une première température de fusion, afin d'obtenir, après mise en contact de la composition d'infiltration avec tout ou partie des charges du premier ensemble de charges, une pièce en un matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique (2), et
b) application sur au moins une partie de la surface externe (3) de la pièce en matériau composite d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu, l'alliage de silicium et de nickel ou de silicium et de cobalt ayant une deuxième température de fusion inférieure à la première température de fusion, afin d'obtenir un revêtement de surface (4) sous forme solide sur au moins une partie de la surface externe (3) de la pièce en matériau composite.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, après l'étape a) et avant l'étape b), une étape c) de dépôt sur la surface externe (3) de la pièce en matériau composite d'un deuxième ensemble de charges et/ou d'une résine précéramique et en ce que l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu s'infiltre lors de l'étape b) au sein du deuxième ensemble de charges et/ou de la résine précéramique afin de former le revêtement de surface (4).
11. Procédé de fabrication d'une pièce (1 ; 100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant une étape : de formation sur la surface externe (3) d'une pièce en matériau composite comportant un renfort fibreux densifié par une matrice céramique (2) d'un revêtement de surface (4) sous forme solide comportant un alliage de silicium et de nickel ou un alliage de silicium et de cobalt.
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la formation du revêtement de surface (4) comporte une étape de mise en contact d'un alliage de silicium et de nickel ou d'un alliage de silicium et de cobalt à l'état fondu avec des charges et/ou avec une résine précéramique.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la pièce est recouverte, avant fusion de l'alliage de silicium et de nickel ou de l'alliage de silicium et de cobalt, sur sa surface externe (3) par une couche précurseur de revêtement comportant, d'une part, l'alliage de silicium et de nickel ou l'alliage de silicium et de cobalt et, d'autre part, les charges et/ou la résine précéramique.
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