WO2023237834A1 - Procede de revetement - Google Patents
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- F05D2300/6033—Ceramic matrix composites [CMC]
Definitions
- This disclosure concerns the field of coatings and more particularly that of coating processes, in particular to protect ceramic-based substrates from aggressive environments.
- Ceramic matrix composite materials and in particular those based on carbide (generally called SiC/SiC) have been proposed for numerous applications, and in particular for the production of gas turbine parts, such as blades and distributors. Indeed, thanks to their heat resistance properties, these materials make it possible to reduce or even eliminate the cooling conventionally used in metal turbine parts based on nickel and/or cobalt, while allowing an increase in operating temperatures.
- the protective coating should preferably have an expansion coefficient compatible with that of the substrate, a low permeability to corrosive species (which includes both low molecular diffusion linked directly to the physical parameter of hermeticity and low ionic diffusion of superoxide and hydroxide ions, intrinsic characteristics of rare earth silicates) and thermomechanical stability at high temperatures, such as those prevailing for example in a gas turbine.
- the protective coating may typically comprise a barrier coating or environmental barrier coating (in English: “Environmental Barrier Coating” or EBC), generally based on rare earth silicate and, between the substrate and the barrier coating, a coating bond coating, generally based on silicon, to ensure their adhesion.
- the oxidation of the silicon in the bonding coating can also form an intermediate layer of silica, called thermal growth oxide (in English: “Thermal Growth Oxide” or TGO), between the bonding coating and the barrier coating.
- the formation of the intermediate layer of thermal growth oxide can contribute to protecting substrates containing silicon carbide from corrosion, it can also have induced thermomechanical effects, such as for example the generation of stresses.
- mechanical between the bonding coating and the barrier coating because of the volume increase of the silicon as it oxidizes to form silica and the allotropic transformation of the silica also associated with a volume change. Consequently, from a critical thickness of the intermediate layer of thermal growth oxide, mechanical stresses can give rise to dome cracking, leading, ultimately, to dome cracking. partial or total peeling of the barrier coating and therefore loss of the anti-corrosion function.
- tack and barrier coatings are applied by thermal spraying.
- this normally involves thicknesses of at least 75 ⁇ m for the tack coat and at least 100
- the step of forming the bonding coating can be carried out in a hot wall reactor with a residence time in the reactor of precursor in the vapor phase between 0.1 1 and 0.45 seconds, with a deposition pressure of between 1 and 5 kPa and a deposition temperature of between 964 and 1135 °C, to obtain a average roughness Ra of the bonding coating greater than 1 pm.
- the precursor for the step of forming the bonding coating may comprise a poorly reactive precursor, in particular trichlorosilane and/or silicon tetrachloride.
- the present disclosure also relates to a coating obtained by the aforementioned process.
- FIG. 2 Figure 2 schematically represents a gas turbine engine. Description of embodiments
- a surface of a substrate 100 at least partially ceramic which can be for example a ceramic matrix composite material (CMC), and in particular a SiC/SiC CMC , can first be subjected to chemical vapor deposition to form an adhesion coating 200.
- CMC ceramic matrix composite material
- SiC/SiC CMC SiC/SiC CMC
- the precursor used can comprise for example trichlorosilane (HCl 3 Si) and /or silicon tetrachloride (SiCI 4 ), and the chemical vapor deposition can be carried out at a temperature between 964 and 1135°C and a pressure between 1 and 5kPa, so as to form an adhesion coating 200 with an average thickness t 2O o less than, for example, 20 pm, or even less than 10 pm, nevertheless with an average roughness Ra greater than 1 pm.
- HCl 3 Si trichlorosilane
- SiCI 4 silicon tetrachloride
- a barrier coating 300 can be formed on the bonding coating 200 by a known deposition process, such as liquid deposition, for example by dip coating. or by electrophoresis.
- This barrier coating 300 may in particular comprise a rare earth silicate, such as for example ytterbium disilicate (Yb 2 Si 2 O 7 ), as well as other components, such as for example trivalent iron oxide (Fe 2 O 3 ), and can have an average thickness t 3O o less than 40 pm , or even less than 30 pm.
- the bonding coating 200 and the barrier coating 300 can have a total thickness of less than 50 ⁇ m.
- an additional coating for protection against degradation by calcium-magnesium-alumino-silicates (CMAS).
- This additional coating may comprise a rare earth silicate, and in particular a rare earth monosilicate such as ytterbium monosilicate (Y 2 SiO 5 ). It can be applied by a known deposition process such as plasma spray deposition, liquid deposition or chemical vapor deposition. Its thickness can for example be between 5 and 100 pm.
- all of the superimposed coatings can be subjected to a stabilization heat treatment.
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Abstract
Procédé de revêtement, comprenant une étape de formation d'un revêtement d'accrochage (200) sur une surface d'un substrat (100), et une étape de formation d'un revêtement barrière (300) sur le revêtement d'accrochage (200). Le revêtement d'accrochage (200) est formé par dépôt chimique en phase vapeur, avec une pression de dépôt comprise entre 1 et 5 kPa et une température de dépôt comprise entre 964 et 1135°C, d'un précurseur comprenant du silicium, pour obtenir une rugosité moyenne Ra supérieure à 1 ųm.
Description
Description
Titre de l'invention : Procédé de revêtement
Domaine Technique
[0001 ] Cette divulgation concerne le domaine des revêtements et plus particulièrement celui des procédés de revêtement, notamment pour protéger d’environnements agressifs les substrats à base céramique.
Technique antérieure
[0002] Les matériaux composites à matrice céramique (CMC), et en particulier ceux à base carbure (généralement dénommés SiC/SiC) ont été proposés pour des nombreuses applications, et notamment pour la réalisation de pièces de turbines à gaz, telles que les aubes et les distributeurs. En effet, grâce à leurs propriétés de résistance à la chaleur, ces matériaux permettent de diminuer voire éliminer le refroidissement classiquement utilisé dans des pièces de turbine métalliques à base de nickel et/ou cobalt, tout en autorisant un accroissement des températures de fonctionnement.
[0003] Cependant, dans l’environnement corrosif d’une turbine, les CMC SiC/SiC peuvent être soumis à oxydation donnant lieu à la formation d’oxyde de silicium, et la volatilisation de cet oxyde de silicium sous l’effet de la vapeur d’eau. Ainsi, pour des applications à haute température en environnement riche en oxygène et vapeur d’eau, l’application d’un revêtement de protection est préconisé sur les pièces en composite à matrice céramique.
[0004] A cause de l’environnement thermomécanique et chimique particulièrement agressif auquel le revêtement de protection pourrait être soumis, celui-ci devrait présenter de préférence un coefficient de dilatation compatible avec celui du substrat, une faible perméabilité aux espèces corrosives (ce qui comprend à la fois une faible diffusion moléculaire liée directement au paramètre physique d’herméticité et une faible diffusion ionique des ions superoxyde et hydroxyde, caractéristiques intrinsèques des silicates de terres rares) et une stabilité thermomécanique aux hautes températures, comme par exemple celles régnant
dans une turbine à gaz. Pour cela, le revêtement de protection peut comprendre typiquement un revêtement barrière ou revêtement barrière environnementale (en anglais : « Environmental Barrier Coating » ou EBC), généralement à base de silicate de terre rare et, entre le substrat et le revêtement barrière, un revêtement d’accrochage (en anglais : « bond coating >>), généralement à base de silicium, pour assurer leur adhésion. L’oxydation du silicium du revêtement d’accrochage peut par ailleurs former une couche intermédiaire de silice, nommée oxyde de croissance thermique (en anglais : « Thermal Growth Oxide » ou TGO), entre le revêtement d’accrochage et le revêtement barrière.
[0005] L’application de revêtements de protection sur des substrats ayant des formes complexes, comme les aubes de turbine, peut imposer aussi des contraintes géométriques, en particulier au niveau de fins bords d’attaque ou de fuite, ou de conduits ou cavités de refroidissement, avec des très faibles épaisseurs de revêtement pour ne pas affecter les performances aérodynamiques des aubes ou leur éventuel refroidissement.
[0006] En outre, quoique la formation de la couche intermédiaire d’oxyde de croissance thermique peut contribuer à protéger de la corrosion les substrats contenant du carbure de silicium, elle peut aussi avoir des effets thermomécaniques induits, comme par exemple la génération de contraintes mécaniques entre le revêtement d’accrochage et le revêtement barrière, à cause de l’accroissement volumique du silicium en s’oxydant pour former de la silice et de la transformation allotropique de la silice également associée à un changement volumique. En conséquence, à partir d’une épaisseur critique de la couche intermédiaire d’oxyde de croissance thermique, les contraintes mécaniques peuvent donner lieu à une fissuration en dôme (en anglais : « dome cracking >>), aboutissant, à terme, à l’écaillage partiel ou total du revêtement barrière et donc à la perte de la fonction anti-corrosion.
[0007] Pour ces raisons, il convient donc de restreindre l’épaisseur des revêtements, et en particulier du revêtement d’accrochage. Généralement, les revêtements d’accrochage et barrière sont appliqués par projection thermique. Toutefois, pour assurer une couverture complète du substrat, ceci implique normalement des épaisseurs d’au moins 75 pm pour le revêtement d’accrochage et d’au moins 100
|im pour le revêtement barrière, épaisseurs qui peuvent être excessives pour les raisons susmentionnées.
[0008] Afin d’offrir des alternatives, les publications de demandes de brevets US 2020/0039892 A1 et US 2020/0039886 A1 ont proposé des procédés de revêtement comprenant chacun une étape de formation d’un revêtement d’accrochage sur une surface d’un substrat et une étape de formation d’un revêtement barrière sur le revêtement d’accrochage, dans lequel le revêtement d’accrochage comprend des grains colonnaires de silicium cristallin et est formé par dépôt chimique en phase vapeur d’un précurseur comprenant du silicium. La demande de brevet français avec le numéro de publication FR 3 1 14 588 A1 proposait un autre procédé de revêtement comprenant aussi une étape de formation d’un revêtement d’accrochage sur une surface d’un substrat et une étape de formation d’un revêtement barrière sur le revêtement d’accrochage, dans lequel le revêtement d’accrochage est en phase amorphe et est formé par dépôt chimique en phase vapeur d’un précurseur comprenant du silicium, et traitement thermique subséquent. Bien que ces procédés permettent d’obtenir des plus fines épaisseurs que la projection thermique, en particulier pour le revêtement d’accrochage, le revêtement d’accrochage obtenu ainsi est relativement lisse, ce qui limite l’adhésion du revêtement barrière.
Exposé de l’invention
[0009] La présente divulgation concerne un procédé de revêtement, comprenant une étape de formation d’un revêtement d’accrochage sur une surface d’un substrat, par dépôt chimique en phase vapeur d’un précurseur comprenant du silicium, le revêtement d’accrochage comprenant des grains colonnaires de silicium cristallin, et une étape de formation d’un revêtement barrière sur le revêtement d’accrochage. Afin d’obtenir un revêtement d’accrochage particulièrement fin, mais avec une bonne adhésion au revêtement barrière, l’étape de formation du revêtement d’accrochage peut s’effectuer dans un réacteur à parois chaudes avec un temps de séjour dans le réacteur du précurseur en phase vapeur entre 0,1 1 et 0,45 secondes, avec une pression de dépôt comprise entre 1 et 5 kPa et une température de dépôt comprise entre 964 et 1135 °C, pour obtenir une
rugosité moyenne Ra du revêtement d’accrochage supérieure à 1 pm. Par ailleurs, le précurseur pour l’étape de formation du revêtement d’accrochage peut comprendre un précurseur peu réactif, en particulier le trichlorosilane et/ou le tétrachlorure de silicium.
[0010] Grâce à ces paramètres de dépôt, il est possible d’obtenir une microstructure particulière du revêtement d’accrochage, offrant une bonne adhésion du revêtement barrière même avec une épaisseur très fine. Ainsi, le revêtement d’accrochage peut présenter une épaisseur maximale inférieure à 20 pm, de préférence inférieure à 10 pm.
[0011 ] Afin de protéger le substrat d’un environnement particulièrement agressif, le revêtement barrière peut comprendre un silicate de terre rare, en particulier du disilicate d’ytterbium. Afin d’obtenir une bonne couverture du substrat, même dans des cavités difficilement accessibles, avec une faible épaisseur de ce revêtement barrière, l’étape de formation du revêtement barrière peut s’effectuer par dépôt par voie liquide, par exemple par enduction par trempage (en anglais : « dip coating >>) et/ou par électrophorèse. Le revêtement barrière peut présenter une épaisseur maximale inférieure à 40 pm, de préférence inférieure à 30 pm.
[0012] Le procédé peut comprendre une étape supplémentaire de formation d’un revêtement de protection contre la dégradation par calcium-magnesium- alumino-silicates. Le substrat peut former une pièce de turbine, en particulier dans un moteur à turbine à gaz, et/ou comprendre un matériau au moins partiellement céramique, en particulier un matériau composite à matrice céramique.
[0013] La présente divulgation concerne aussi un revêtement obtenu par le procédé susmentionné.
Brève description des dessins
[0014] [Fig. 1 ] La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un substrat recouvert d’un revêtement d’accrochage et d’un revêtement barrière appliqués suivant un procédé de revêtement suivant un mode de réalisation.
[0015] [Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement un moteur à turbine à gaz.
Description des modes de réalisation
[0016] L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif.
[0017] Dans une première étape du procédé suivant ce mode de réalisation, une surface d’un substrat 100 au moins partiellement céramique, qui peut être par exemple, un matériau composite à matrice céramique (CMC), et notamment un CMC SiC/SiC, peut d’abord être soumise à un dépôt chimique en phase vapeur pour former un revêtement d’accrochage 200. Dans cette étape de formation du revêtement d’accrochage 200, le précurseur utilisé peut comprendre par exemple du trichlorosilane (HCI3Si) et/ou du tétrachlorure de silicium (SiCI4), et le dépôt chimique en phase vapeur peut être effectué à une température comprise entre 964 et 1 135°C et une pression comprise entre 1 et 5kPa, de manière à former un revêtement d’accrochage 200 d’une épaisseur moyenne t2Oo inférieure à, par exemple, 20 pm, voire même inférieure à 10 pm, avec néanmoins une rugosité moyenne Ra supérieure à 1 pm. Dans le contexte de cette divulgation, on entend par rugosité moyenne Ra la moyenne arithmétique de l’écart z de l’épaisseur ponctuelle du revêtement d’accrochage 200 par rapport à son épaisseur moyenne t2Oo sur toute la surface du revêtement d’accrochage 200. Aux températures et pressions indiquées, la vitesse de dépôt peut être de l’ordre de 1 |im/h. La durée de cette étape peut donc être de l’ordre des 10 heures pour les épaisseurs visées. Cette étape peut notamment être effectuée dans un réacteur à parois chaudes, pour effectuer le dépôt indépendamment de la géométrie du substrat 100. Le précurseur en phase vapeur peut circuler dans ce réacteur avec un temps de séjour qui peut être compris, par exemple, entre 0,1 1 et 0,45 secondes.
[0018] Dans une deuxième étape du procédé suivant ce mode de réalisation, un revêtement barrière 300 peut être formé sur le revêtement d’accrochage 200 par un procédé de dépôt connu, tel que le dépôt par voie liquide, par exemple par enduction par trempage ou par électrophorèse. Ce revêtement barrière 300 peut notamment comprendre un silicate de terre rare, comme par exemple du
disilicate d’ytterbium (Yb2Si2O7), ainsi que d’autres composants, comme par exemple de l’oxyde de fer trivalent (Fe2O3), et peut présenter une épaisseur moyenne t3Oo inférieure à 40 pm, voire même inférieure à 30 pm. Ainsi, ensemble, le revêtement d’accrochage 200 et le revêtement barrière 300 peuvent avoir une épaisseur totale inférieure à 50 pm.
[0019] Dans une étape subséquente, il est envisageable de procéder à l’application, sur le revêtement barrière 300, d’un revêtement supplémentaire (non illustré) de protection contre la dégradation par calcium-magnesium-alumino-silicates (CMAS). Ce revêtement supplémentaire peut comprendre un silicate de terre rare, et en particulier un monosilicate de terre rare tel que le monosilicate d’ytterbium (Y2SiO5). Il peut être appliqué par un procédé de dépôt connu tel que le dépôt par projection plasma, le dépôt par voie liquide ou le dépôt chimique en phase vapeur. Son épaisseur peut être par exemple entre 5 et 100 pm.
[0020] Dans une étape finale, l’ensemble des revêtements superposés peut être soumis à un traitement thermique de stabilisation.
[0021] Les revêtements obtenus par ce procédé sont particulièrement résistants aux environnements agressifs à haute température, et sont en particulier applicables aux pièces de turbine exposées à des gaz de combustion, comme par exemple les aubes et distributeurs des turbines de moteurs à turbine à gaz. La figure 2 illustre de manière schématique un moteur 1 à turbine à gaz, plus spécifiquement sous forme de turboréacteur à soufflante (en anglais : « turbofan >>), quoique le procédé est aussi applicable aux pièces de turbine d’autres types de turbomachines et moteurs à turbine à gaz, comme par exemple les turboréacteurs à simple flux (en anglais : « turbojets »), les turbopropulseurs, les turbomoteurs, ou même les turbopompes et turbocompresseurs. Dans le sens de l’écoulement du fluide, ce moteur 1 à turbine à gaz peut comprendre une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7 et une tuyère 8. L’ensemble peut être entouré par une nacelle 9. Les compresseurs 3,4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6, 7 forment ensemble le générateur de gaz 10, qui peut être lui-même entouré par un carénage 11 aboutissant dans la tuyère 8. Ainsi, une veine d’air 12 de la soufflante 2 peut être définie entre le carénage 11 du générateur de gaz 10 et
une paroi interne 13 de la nacelle 9. La turbine haute pression 6 peut être reliée au compresseur haute pression 4 par un premier arbre rotatif 14 pour l’entraînement de cette dernière, tandis que la turbine basse pression 7 peut être reliée à la soufflante 2 et au compresseur basse pression 3 par un deuxième arbre rotatif 15 coaxial au premier arbre rotatif 14, de manière analogue.
[0022] Dans un tel moteur 1 à turbine à gaz, les pièces des turbines haute pression 6 et basse pression 7, notamment les aubes et distributeurs, sont soumises à des contraintes mécaniques importantes dans l’environnement particulièrement agressif des gaz de combustion. Elles peuvent donc bénéficier du procédé de revêtement décrit ci-dessus.
[0023] Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Claims
[Revendication 1] Procédé de revêtement, comprenant les étapes suivantes : formation d'un revêtement d'accrochage (200) comprenant des grains colonnaires de silicium cristallin sur une surface d'un substrat (100), par dépôt chimique en phase vapeur d'un précurseur comprenant du silicium, formation d'un revêtement barrière (300) sur le revêtement d'accrochage (200), le procédé étant caractérisé en ce que l'étape de formation du revêtement d'accrochage (200) s'effectue dans un réacteur à parois chaudes avec un temps de séjour dans le réacteur du précurseur en phase vapeur entre 0,11 et 0,45 secondes, une pression de dépôt comprise entre 1 et 5 kPa et une température de dépôt comprise entre 964 et 1135°C, pour obtenir une rugosité moyenne Ra du revêtement d'accrochage (200) supérieure à 1 pm.
[Revendication 2] Procédé de revêtement suivant la revendication 1, dans lequel le précurseur pour l'étape de formation du revêtement d'accrochage (200) comprend du trichlorosilane et/ou du tétrachlorure de silicium.
[Revendication 3] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de formation du revêtement barrière (300) s'effectue par dépôt par voie liquide.
[Revendication 4] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement barrière (300) comprend un silicate de terre rare, en particulier du disilicate d'ytterbium.
[Revendication 5] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une étape supplémentaire de formation d'un revêtement de protection contre la dégradation par calcium- magnesium-alumino-silicates.
[Revendication 6] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement d'accrochage (200) présente une épaisseur maximale inférieure à 20 pm, de préférence inférieure à 10 pm.
[Revendication 7] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement barrière (300) présente une épaisseur maximale inférieure à 40 pm, de préférence inférieure à 30 pm.
[Revendication 8] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (100) comprend un matériau au moins partiellement céramique, en particulier un matériau composite à matrice céramique.
[Revendication 9] Procédé de revêtement suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat forme une pièce de turbine (6,7).
[Revendication 10] Revêtement obtenu par le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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