FR3147296A1 - Production of an environmental barrier layer by electrophoretic means - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une pièce de turbomachine comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium. Cette pièce comprend en outre sur la couche de silicium un empilement composé d’au moins deux couches de céramique d’au moins une couche électriquement conductrice, la ou les couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique, et chaque couche de céramique présentant une épaisseur inférieure à 20 µm. La présente invention concerne également un procédé de revêtement d’une pièce turbomachine. FIG. 1The present invention relates to a turbomachine part comprising a substrate made of a ceramic matrix composite coated with a silicon layer. This part further comprises on the silicon layer a stack composed of at least two ceramic layers of at least one electrically conductive layer, the electrically conductive layer(s) alternating with the ceramic layers, and each ceramic layer having a thickness of less than 20 µm. The present invention also relates to a method for coating a turbomachine part. FIG. 1
Description
La présente invention se rapporte au domaine général des revêtements de protection utilisés pour des pièces dans des environnements à haute température telles que les pièces utilisées dans des parties chaudes des turbomachines aéronautiques ou terrestres.The present invention relates to the general field of protective coatings used for parts in high temperature environments such as parts used in hot parts of aeronautical or terrestrial turbomachines.
Les composites à matrice céramique (CMC) à base carbure (généralement dénommés « SiC/SiC ») sont aujourd’hui utilisés pour la réalisation de pièces pour turbomoteur haute et basse pression, dans le but de diminuer, voire éliminer, le débit de refroidissement classiquement utilisé dans la conception de pièces métalliques en alliage à base nickel (Ni). Ce bénéfice est lié à la réfractivité intrinsèque des céramiques SiC, autorisant un accroissement des températures de fonctionnement des turbines tout en diminuant la consommation spécifique (Cs) du moteur (conséquence de la diminution de prélèvement d’air de refroidissement).Carbide-based ceramic matrix composites (CMCs) (generally referred to as “SiC/SiC”) are currently used to produce parts for high and low pressure turboshaft engines, with the aim of reducing or even eliminating the cooling flow rate traditionally used in the design of nickel-based alloy (Ni) metal parts. This benefit is linked to the intrinsic refractivity of SiC ceramics, allowing an increase in turbine operating temperatures while reducing the specific consumption (Cs) of the engine (consequence of the reduction in cooling air intake).
Cependant, dans un environnement oxydant et/ou corrosif dans lequel évolue une turbine, les CMC SiC/SiC sont soumis à un phénomène de corrosion et/ou de récession non passivante qui résulte de l’oxydation conduisant à la formation de SiO2et de la volatilisation de cet oxyde en présence d’eau. Ainsi, pour des applications haute température en environnement oxydant en présence d’eau, l’application d’un revêtement protecteur sur les CMC SiC/SiC est nécessaire.However, in an oxidizing and/or corrosive environment in which a turbine operates, SiC/SiC CMCs are subject to a phenomenon of corrosion and/or non-passivating recession which results from the oxidation leading to the formation of SiO 2 and the volatilization of this oxide in the presence of water. Thus, for high temperature applications in an oxidizing environment in the presence of water, the application of a protective coating on the SiC/SiC CMCs is necessary.
Le revêtement protecteur appliqué est généralement nommé « barrière environnementale » (EBC – de l’anglaisEnvironmental Barrier Coatings) et est composé d’une couche de liaison (bond-coaten anglais) généralement à base de silicium, ainsi que d’une couche assurant la protection contre la corrosion. Cette dernière couche de protection (généralement appelée en anglaistop coat) contre la corrosion est en silicate de terre rare. Le revêtement doit répondre à un certain nombre de contraintes :
- un coefficient de dilatation compatible avec celui du substrat en CMC,
- une faible perméabilité aux espèces oxydantes et/ou corrosives,
- une stabilité thermomécanique aux températures de fonctionnement de la pièce et
- une très bonne résistance aux aluminosilicates de calcium magnésium (CMAS – de l’anglaiscalcium magnesium aluminosilicates).The protective coating applied is generally called an "environmental barrier " (EBC) and is composed of a bond coat , generally silicon-based, and a layer providing protection against corrosion. This last protective layer (generally called a top coat ) against corrosion is made of rare earth silicate. The coating must meet a certain number of constraints:
- an expansion coefficient compatible with that of the CMC substrate,
- low permeability to oxidizing and/or corrosive species,
- thermomechanical stability at part operating temperatures and
- very good resistance to calcium magnesium aluminosilicates (CMAS).
La faible perméabilité aux espèces oxydantes et/ou corrosives concerne à la fois la diffusion moléculaire liée directement au paramètre physique d’herméticité et la diffusion des espèces ioniques O2–et HO–, caractéristiques intrinsèques des silicates de terre rare.The low permeability to oxidizing and/or corrosive species concerns both the molecular diffusion directly linked to the physical parameter of hermeticity and the diffusion of the ionic species O 2– and HO – , intrinsic characteristics of rare earth silicates.
Parmi les pièces céramisables apportant le plus grand bénéfice en termes d’économie de Cs, on peut citer les aubes (notamment mobiles) de turbines et les distributeurs. Cependant, la conception de telles pièces en CMC présente plusieurs défis techniques :
- elles sont soumises à de fortes sollicitations thermomécaniques associées à un environnement chimique particulièrement sévère ;
- elles présentent souvent des formes géométriques complexes ;
- leur cadence de production notamment en ce qui concerne la production pour l’aéronautique civil est très soutenue.Among the ceramizable parts providing the greatest benefit in terms of Cs savings, we can cite turbine blades (especially mobile ones) and distributors. However, the design of such parts in CMC presents several technical challenges:
- they are subjected to high thermomechanical stresses associated with a particularly harsh chemical environment;
- they often have complex geometric shapes;
- their production rate, particularly with regard to production for civil aeronautics, is very high.
L’environnement chimique particulièrement sévère est généralement dû à la présence de dioxygène (O2), d’eau (H2O) et de CMAS. Les CMAS sont notamment présents sous forme de sable qui peut être aspiré par le moteur lorsque l’appareil survole certaines régions désertiques du globe telles que le Sahara, la Chine et l’Inde.The particularly harsh chemical environment is generally due to the presence of dioxygen ( O2 ), water ( H2O ) and CMAS. CMAS are notably present in the form of sand which can be sucked up by the engine when the aircraft flies over certain desert regions of the globe such as the Sahara, China and India.
Les formes géométriques complexes sont notamment dues au fait que les pièces sont constituées de plusieurs sous-ensembles associés à des fonctions propres, à la présence de bords d’attaque et de bords de fuite.The complex geometric shapes are due in particular to the fact that the parts are made up of several sub-assemblies associated with specific functions, and to the presence of leading edges and trailing edges.
Les EBC appliquées à ces pièces, outre leurs performances fonctionnelles propres, doivent satisfaire l’ensemble de ces exigences. Entre autres, s’agissant de pièces avec bord d’attaque et/ou bord de fuite dont les performances aérodynamiques sont directement liées à l’épaisseur de ces parties, et en particulier du bord de fuite, le procédé de dépôt d’EBC doit être compatible avec la réalisation de très fines épaisseurs (par exemple inférieures à 150 µm, typiquement comprise entre 50 et 75 µm) tout en préservant la capacité protectrice du CMC.The EBCs applied to these parts, in addition to their own functional performances, must satisfy all of these requirements. Among others, in the case of parts with a leading edge and/or trailing edge whose aerodynamic performances are directly linked to the thickness of these parts, and in particular the trailing edge, the EBC deposition process must be compatible with the production of very thin thicknesses (for example less than 150 µm, typically between 50 and 75 µm) while preserving the protective capacity of the CMC.
Les EBC actuellement développées sont composées de :
- une couche de liaison en silicium ; et
- une couche de protection en disilicate de terre rare.The EBCs currently being developed are composed of:
- a silicon bonding layer; and
- a protective layer of rare earth disilicate.
La couche de liaison a pour fonction principale la protection contre l’oxydation et/ou la corrosion et de favoriser l’accrochage de la couche de protection.The main function of the bonding layer is to protect against oxidation and/or corrosion and to promote the adhesion of the protective layer.
Lors d’un traitement de stabilisation de l’EBC, une couche de silice (aussi appelée « oxyde crû thermiquement » ou TGO pour l’anglaisThermally Grown Oxide) passivante se forme permettant d’apporter une protection contre l’oxydation du CMC SiC/SiC. Cette couche de silice peut également donner lieu à une croissance continue en fonctionnement, en lien avec le niveau d’herméticité de l’EBC.During an EBC stabilization treatment, a passivating silica layer (also called " thermally grown oxide" or TGO) is formed, providing protection against oxidation of the SiC/SiC CMC. This silica layer can also give rise to continuous growth during operation, in relation to the hermeticity level of the EBC.
Le disilicate de terre rare a pour formule RE2Si2O7, où RE désigne la terre rare. Généralement, la terre rare est de l’yttrium (Y), de l’ytterbium (Yb) ou encore de l’yttrium-ytterbium (YYb). La couche de disilicate de terre rare fait barrière contre la diffusion des espèces oxydantes et protège le CMC contre la corrosion à haute température.The rare earth disilicate has the formula RE 2 Si 2 O 7 , where RE denotes the rare earth. Typically, the rare earth is yttrium (Y), ytterbium (Yb) or yttrium-ytterbium (YYb). The rare earth disilicate layer acts as a barrier against the diffusion of oxidizing species and protects the CMC from high-temperature corrosion.
Pour répondre aux exigences dimensionnelles, la couche de liaison en silicium est généralement élaborée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour l’anglaischemical vapour deposition) et la couche de disilicate de terre rare par voie liquide, en particulier par électrophorèse. Ces deux procédés ont l’avantage d’être non-directifs ; ils sont ainsi adaptés aux formes complexes. Ils permettent de déposer des épaisseurs d’une dizaine de micromètres.To meet the dimensional requirements, the silicon bonding layer is generally produced by chemical vapour deposition (CVD) and the rare earth disilicate layer by liquid means, in particular by electrophoresis. These two processes have the advantage of being non-directional; they are therefore suitable for complex shapes. They allow thicknesses of around ten micrometres to be deposited.
Le procédé de dépôt par électrophorèse consiste à immerger une pièce dans une suspension de poudre de céramique. Une contre-électrode est disposée en vis-à-vis de la pièce à revêtir. Un champ électrique est appliqué entre la contre-électrode et la pièce. Sous l’action de ce champ électrique, les particules de céramique contenues dans la suspension migrent et se déposent sur la pièce à revêtir.The electrophoretic deposition process consists of immersing a part in a suspension of ceramic powder. A counter-electrode is placed opposite the part to be coated. An electric field is applied between the counter-electrode and the part. Under the action of this electric field, the ceramic particles contained in the suspension migrate and are deposited on the part to be coated.
Néanmoins, dans le cadre des EBC, la poudre utilisée qui est une poudre de disilicate de terre rare mène à la formation d’un dépôt en céramique isolant électriquement. Ainsi, à partir d’une certaine épaisseur (de l’ordre de quelques dizaines de µm), le pouvoir isolant est tel qu’il ne permet plus une croissance efficace de la couche de disilicate de terre rare limitant ainsi son épaisseur.However, in the context of EBCs, the powder used, which is a rare earth disilicate powder, leads to the formation of an electrically insulating ceramic deposit. Thus, from a certain thickness (of the order of a few tens of µm), the insulating power is such that it no longer allows effective growth of the rare earth disilicate layer, thus limiting its thickness.
D’autres procédés de dépôt de silicate de terre rare par voie liquide existent. On peut citer par exemple, le pistolage, l’enduction par trempage (dip coatingen anglais) et l’enduction centrifuge (spin coatingen anglais). Néanmoins, ces procédés sont peu adaptables à des pièces de formes complexes.Other liquid rare earth silicate deposition processes exist. Examples include spraying, dip coating and spin coating. However, these processes are not very adaptable to parts with complex shapes.
Par conséquent, la possibilité d’épaissir la couche de protection en disilicate de terre rare reste un besoin non satisfait.Therefore, the possibility of thickening the rare earth disilicate protective layer remains an unmet need.
La présente invention a donc pour but d’augmenter l’épaisseur de la couche de protection en disilicate de terre rare déposée sur une pièce en CMC par voie électrophorétique.The present invention therefore aims to increase the thickness of the protective layer of rare earth disilicate deposited on a CMC part by electrophoretic means.
Ainsi, la présente invention propose une pièce de turbomachine comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium,
caractérisée en ce qu’elle comprend en outre sur la couche de silicium un empilement composé d’au moins deux couches de céramique d’au moins une couche électriquement conductrice, la ou les couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique, et chaque couche de céramique présentant une épaisseur inférieure à 20 µm.Thus, the present invention provides a turbomachine part comprising a substrate made of a ceramic matrix composite coated with a layer of silicon,
characterized in that it further comprises on the silicon layer a stack composed of at least two ceramic layers of at least one electrically conductive layer, the electrically conductive layer(s) alternating with the ceramic layers, and each ceramic layer having a thickness of less than 20 µm.
L’une desdites couches électriquement conductrices peut être la dernière couche de l’empilement.One of said electrically conductive layers may be the last layer of the stack.
La couche de céramique peut être en un monosilicate de terre rare ou en un disilicate de terre rare, de préférence la terre rare est l’yttrium, l’ytterbium ou l’yttrium-ytterbium.The ceramic layer may be of a rare earth monosilicate or a rare earth disilicate, preferably the rare earth is yttrium, ytterbium or yttrium-ytterbium.
Le matériau des couches électriquement conductrices peut être choisi dans le groupe constitué des métaux nobles et des alliages comprenant au moins un métal noble, des disiliciures métalliques et du silicium.The material of the electrically conductive layers may be selected from the group consisting of noble metals and alloys comprising at least one noble metal, metal disilicides and silicon.
L’épaisseur additionnée des couches de céramique peut être supérieure à 20 µm.The added thickness of the ceramic layers can be greater than 20 µm.
La présente invention propose également un procédé de revêtement d’une pièce de turbomachine à partir d’une pièce intermédiaire comprenant un substrat en un composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium, la pièce de turbomachine comprenant au moins deux couches de céramique, chacune d’une épaisseur inférieure à 20 µm,
le procédé comprenant :
- la formation des deux couches de céramique ; et
- la formation d’au moins une couche électriquement conductrice ;
la ou des couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique.The present invention also provides a method for coating a turbomachine part from an intermediate part comprising a substrate made of a ceramic matrix composite coated with a layer of silicon, the turbomachine part comprising at least two layers of ceramic, each with a thickness of less than 20 µm,
the method comprising:
- the formation of the two ceramic layers; and
- the formation of at least one electrically conductive layer;
the electrically conductive layer(s) alternating with the ceramic layers.
La dernière couche formée peut être l’une desdites couches électriquement conductrices.The last layer formed may be one of said electrically conductive layers.
La formation de la ou des couches de céramique peut être réalisée par électrophorèse.The formation of the ceramic layer(s) can be achieved by electrophoresis.
La formation de la ou des couches électriquement conductrices peut être réalisée par voie sèche tels que le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur ou l’impression jet d’encre.The formation of the electrically conductive layer(s) can be achieved by dry processes such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition or inkjet printing.
Le procédé peut comprendre en outre le frittage de la pièce intermédiaire après la formation de chaque couche de céramique.The method may further comprise sintering the intermediate part after forming each ceramic layer.
Par l’ajout d’une ou de plusieurs couches électriquement conductrices, il est possible de déposer des couches additionnelles de disilicate de terre rare.By adding one or more electrically conductive layers, it is possible to deposit additional layers of rare earth disilicate.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures :Other features and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the attached drawings which illustrate exemplary embodiments thereof which are not limiting in any way. In the figures:
L'invention s'applique d'une manière générale à toute pièce de turbomachine recouverte d’un revêtement protecteur dont la couche de protection est déposée par électrophorèse bien que la description qui suit est illustrée par une telle pièce comprenant un substrat en un composite à matrice céramique en référence aux figures 1 et 2.The invention applies generally to any turbomachine part covered with a protective coating whose protective layer is deposited by electrophoresis, although the description which follows is illustrated by such a part comprising a substrate made of a ceramic matrix composite with reference to figures 1 and 2.
Le substrat11de cette pièce1est revêtu d’une couche de silicium121. L’épaisseur maximale de la couche de silicium121peut être de 1 µm à 100 µm. Dans certain cas (typiquement pour un dépôt par CVD), elle est de préférence de 1 µm à 50 µm. Dans d’autres cas (typiquement pour un dépôt par projection plasma), elle est de préférence de 50 µm à 100 µm.The substrate 11 of this part 1 is coated with a silicon layer 121. The maximum thickness of the silicon layer 121 can be from 1 µm to 100 µm. In certain cases (typically for CVD deposition), it is preferably from 1 µm to 50 µm. In other cases (typically for plasma spray deposition), it is preferably from 50 µm to 100 µm.
Dans la présente demande, l’épaisseur maximale est comprise comme désignant l’épaisseur d’une couche ou d’un empilement de couches à l’endroit où elle est la plus grande.In this application, maximum thickness is understood to mean the thickness of a layer or stack of layers at the point where it is greatest.
Le substrat11de la pièce peut être entièrement revêtu de la couche de silicium121ou seulement partiellement revêtu.The substrate 11 of the part can be completely coated with the silicon layer 121 or only partially coated.
La pièce comprend en outre, sur la couche de silicium121, un empilement composé d’au moins deux couches de céramique122et d’au moins une couche électriquement conductrice123, la ou les couches électriquement conductrices123alternant avec les couches de céramique122. Dans certains cas, une couche de céramique122est au contact de la couche de silicium121. L’empilement et la couche de silicium121forment ensemble un revêtement barrière environnementale12pour le substrat11. De préférence, une couche électriquement conductrice123est la dernière couche de l’empilement en partant de la couche de silicium121comme illustré sur la
L’empilement peut recouvrir toute la surface de la couche de silicium121ou seulement une partie de celle-ci.The stack may cover the entire surface of the silicon layer 121 or only a portion of it.
De manière générale, sinest le nombre de couches de céramique122etmle nombre de couches électriquement conductrices123, alors on a la relation Math. 1 si la dernière couche est une couche électriquement conductrice123(
[Math. 1]
m = n[Math. 1]
m = n
[Math. 2]
m = n - 1[Math. 2]
m = n - 1
Par exemple, la pièce 1 comprend sur la couche de silicium 121, dans l’ordre à partir de cette dernière, une première couche de céramique122, une couche électriquement conductrice123et une deuxième couche de céramique122satisfaisant la formule Math. 2 et illustré par la
De manière générale, la céramique des couches de céramique 122 est une céramique déposable par dépôt électrophorétique. On peut citer parmi ces céramiques déposables les silicates de terre rare par exemple les monosilicates de terre rare et les disilicates de terre rare.Generally, the ceramic of the ceramic layers 122 is a ceramic depositable by electrophoretic deposition. Among these depositable ceramics, we can cite rare earth silicates, for example rare earth monosilicates and rare earth disilicates.
Les monosilicates de terre rare sont de formule RE1RE2SiO5(où RE1et RE2représentent chacun une terre rare, RE1et RE2pouvant être ou non la même terre rare). Les disilicates de terre rare sont de formule RE1RE2Si2O7. Chacun des RE1et RE2peut être indépendamment choisie dans le groupe constitué de : l’yttrium (Y), le lanthane (La), le cérium (Ce), le praséodyme (Pr), le néodyme (Nd), le prométhium (Pm), le samarium (Sm), l’europium (Eu), le gadolinium (Gd), le terbium (Tb), le dysprosium (Dy), l’holmium (Ho), l’erbium (Er), le thulium (Tm), l’ytterbium (Yb) et le lutécium (Lu). Parmi ces terres rares, Y et Yb sont préférés. Ainsi, on peut citer les silicates préférés suivants : le monosilicate d’yttrium (Y2SiO5ou YMS pour l’anglaisyttrium monosilicate), le monosilicate d’ytterbium (Yb2SiO5ou YbMS pourytterbium monosilicate), le monosilicate d’yttrium-ytterbium (YYbSiO5ou YYbMS pouryttrium-ytterbium monosilicate), le disilicate d’yttrium (Y2Si2O7ou YDS pouryttrium disilicate), le disilicate d’ytterbium (Yb2Si2O7ou YbDS pourytterbium disilicate) et le disilicate d’yttrium-ytterbium (YYbSi2O7ou YYbDS pouryttrium-ytterbium disilicate).Rare earth monosilicates have the formula RE 1 RE 2 SiO 5 (where RE 1 and RE 2 each represent a rare earth, and RE 1 and RE 2 may or may not be the same rare earth). Rare earth disilicates have the formula RE 1 RE 2 Si 2 O 7 . Each of RE 1 and RE 2 can be independently selected from the group consisting of: yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu). Among these rare earths, Y and Yb are preferred. Thus, the following preferred silicates may be mentioned: yttrium monosilicate (Y 2 SiO 5 or YMS for yttrium monosilicate ), ytterbium monosilicate (Yb 2 SiO 5 or YbMS for ytterbium monosilicate ), yttrium-ytterbium monosilicate (YYbSiO 5 or YYbMS for yttrium-ytterbium monosilicate ), yttrium disilicate (Y 2 Si 2 O 7 or YDS for yttrium disilicate ), ytterbium disilicate (Yb 2 Si 2 O 7 or YbDS for ytterbium disilicate ) and yttrium-ytterbium disilicate (YYbSi 2 O 7 or YYbDS for yttrium-ytterbium disilicate ).
Le même silicate de terre rare peut être utilisé pour toutes les couches de céramique22ou différents silicates de terre rare peuvent être utilisé pour les couches de céramique22. Dans un mode de réalisation, une alternance entre deux silicates de terre rare d’une couche de céramique22à l’autre est utilisée, par exemple entre un disilicate de terre rare et un monosilicate de terre rare, typiquement un disilicate d’ytterbium et un monosilicate d’yttrium.The same rare earth silicate may be used for all ceramic layers 22 or different rare earth silicates may be used for the ceramic layers 22. In one embodiment, an alternation between two rare earth silicates from one ceramic layer 22 to the next is used, for example between a rare earth disilicate and a rare earth monosilicate, typically an ytterbium disilicate and an yttrium monosilicate.
Chaque couche électriquement conductrice123permet, malgré la couche de céramique122isolante électriquement, de poursuivre le dépôt électrophorétique, en rendant la pièce intermédiaire à nouveau conductrice électriquement. Elle permet ainsi l’augmentation de l’épaisseur additionnée des couches de céramique122.Each electrically conductive layer 123 allows, despite the electrically insulating ceramic layer 122 , to continue the electrophoretic deposition, by making the intermediate part electrically conductive again. It thus allows the increase in the added thickness of the ceramic layers 122 .
A ce sujet, on pourra noter qu’il est en général souhaitable de limiter l’épaisseur de chaque couche de céramique déposée, par exemple à une valeur comprise entre 40 et 60 µm avant frittage (conduisant à une épaisseur après frittage inférieure à 20 µm) pour éviter des phénomènes d’éclatement lors du frittage. Or, lors du frittage, la couche de céramique devient encore plus isolante électriquement. Il n’est donc plus possible, après avoir réalisé une première couche de céramique (relativement fine), et après l’avoir frittée, de déposer à nouveau par électrophorèse une deuxième couche de céramique, directement sur la première couche (puisque la première couche est très isolante), dans le but d’obtenir une épaisseur totale plus importante. La présente technologie permet justement, par l’ajout de la couche électriquement conductrice123, de déposer la deuxième couche de céramique122par électrophorèse, et d’obtenir ainsi une barrière environnementale plus épaisse.In this regard, it may be noted that it is generally desirable to limit the thickness of each layer of ceramic deposited, for example to a value between 40 and 60 µm before sintering (leading to a thickness after sintering of less than 20 µm) to avoid bursting phenomena during sintering. However, during sintering, the ceramic layer becomes even more electrically insulating. It is therefore no longer possible, after having produced a first layer of ceramic (relatively thin), and after having sintered it, to deposit again by electrophoresis a second layer of ceramic, directly on the first layer (since the first layer is very insulating), in order to obtain a greater total thickness. The present technology makes it possible precisely, by adding the electrically conductive layer 123 , to deposit the second layer of ceramic 122 by electrophoresis, and thus to obtain a thicker environmental barrier.
De préférence, l’épaisseur additionnée maximale des couches de céramique122est supérieure à 20 µm. Ces valeurs d’épaisseur sont données pour une pièce après frittage.Preferably, the maximum added thickness of the ceramic layers 122 is greater than 20 µm. These thickness values are given for a part after sintering.
Le matériau de la ou des couches électriquement conductrices123est de préférence choisi dans le groupe constitué des métaux nobles, des alliages comprenant au moins un métal noble, des disiliciures métalliques et du silicium.The material of the electrically conductive layer(s) 123 is preferably chosen from the group consisting of noble metals, alloys comprising at least one noble metal, metal disilicides and silicon.
Les métaux nobles – qui, pour cette application, ont l’avantage d’être peu sensibles à la corrosion – sont au nombre de huit : l’or (Au), l’argent (Ag), le ruthénium (Ru), le rhodium (Rh), le palladium (Pd), l’osmium (Os), l’iridium (Ir) et le platine (Pt).There are eight noble metals – which, for this application, have the advantage of being relatively insensitive to corrosion –: gold (Au), silver (Ag), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir) and platinum (Pt).
Un métal noble particulièrement adapté est le platine qui a l’avantage d’avoir une température de fusion élevée et notamment comparable ou même supérieure aux températures maximales supportées par des couches en silicium ou en silicate de terre rare. Un alliage de platine et d’or est également bien adapté.A particularly suitable noble metal is platinum, which has the advantage of having a high melting temperature, comparable to or even higher than the maximum temperatures supported by layers of silicon or rare earth silicate. An alloy of platinum and gold is also well suited.
Parmi les disiliciures métalliques, on peut citer le disiliciure d’yttrium (Y2Si2), le disiliciure d’ytterbium (Yb2Si2), le disiliciure d’yttrium-ytterbium (YYbSi2), le disiliciure de titane (TiSi2) et le disiliciure de zirconium (ZrSi2).Metal disilicides include yttrium disilicide (Y 2 Si 2 ), ytterbium disilicide (Yb 2 Si 2 ), yttrium-ytterbium disilicide (YYbSi 2 ), titanium disilicide (TiSi 2 ), and zirconium disilicide (ZrSi 2 ).
Lorsque la dernière couche est une couche électriquement conductrice123en un métal noble ou un alliage comprenant un métal noble, cette dernière couche présente une propriété anti-mouillage particulièrement efficace contre les attaques de CMAS.When the last layer is an electrically conductive layer 123 made of a noble metal or an alloy comprising a noble metal, this last layer has an anti-wetting property which is particularly effective against CMAS attacks.
Lorsque la dernière couche est une couche électriquement conductrice123en un disiliciure métallique de terre rare, du disilicate de terre rare peut se former lors du frittage avec l’apport d’oxygène ce qui est plus compatible chimiquement avec les couches de céramique122en silicate de terre rare.When the last layer is an electrically conductive layer 123 of a rare earth metal disilicide, rare earth disilicate can be formed during sintering with the supply of oxygen which is more chemically compatible with the ceramic layers 122 of rare earth silicate.
Chaque couche électriquement conductrice123peut présenter une épaisseur maximale de 1 à 5 µm ; cette épaisseur maximale pouvant aller jusqu’à 10 µm lorsque la couche est la dernière couche de l’empilement.Each electrically conductive layer 123 may have a maximum thickness of 1 to 5 µm; this maximum thickness may be up to 10 µm when the layer is the last layer of the stack.
L’épaisseur maximale de l’empilement peut être de 20 µm à 300 µm, de préférence de 20 µm à 200 µm notamment pour un distributeur. L’épaisseur maximale de l’empilement peut être de 20 µm à 150 µm, notamment pour une aube mobile.The maximum thickness of the stack may be from 20 µm to 300 µm, preferably from 20 µm to 200 µm, in particular for a distributor. The maximum thickness of the stack may be from 20 µm to 150 µm, in particular for a moving blade.
Le composite à matrice céramique du substrat11peut être à base carbure (SiC/SiC)The ceramic matrix composite of the substrate 11 may be carbide-based (SiC/SiC)
Un procédé de revêtement d’une telle pièce pour turbomachine est décrit ci-après en référence avec les figures 3 et 4.A method of coating such a turbomachine part is described below with reference to Figures 3 and 4.
Ce procédé est mis en œuvre à partir d’une pièce intermédiaire comprenant un substrat11en composite à matrice céramique revêtu d’une couche de silicium121.This method is implemented from an intermediate part comprising a substrate 11 made of ceramic matrix composite coated with a layer of silicon 121 .
Le procédé comprend la formationS100d’au moins deux couches de céramique122dont une pouvant être agencée sur la couche de silicium121et la formationS200d’au moins une couche électriquement conductrice123. La ou des couches électriquement conductrices123alternent avec les couches de céramique122.The method comprises forming S100 at least two ceramic layers 122 , one of which can be arranged on the silicon layer 121 , and forming S200 at least one electrically conductive layer 123. The electrically conductive layer(s) 123 alternate with the ceramic layers 122 .
Le nombre de foisnoù la formationS100d’une couche de céramique122est réalisée et le nombre de foismoù la formationS200d’une couche électriquement conductrice est réalisée répondent à la formule Math. 1 ou à la formule Math. 2 ci-dessus. Sur la
La formationS100de la ou des couches de céramique peut comprendre le dépôt électrophorétiqueS110de céramique sur la couche précédente. À titre d’exemple, le dépôt électrophorétiqueS110 peut être réalisé à une tension comprise entre 50 V et 150 V. De même, le dépôt électrophorétiqueS110peut durer de 30 sec à 5 min. De manière générale, la tension et/ou la durée sont plus élevées pour la deuxième couche de céramique et les suivantes que pour la première couche de céramique. La poudre de céramique utilisée pour le dépôt électrophorétiqueS110peut présenter une granulométrie mesurée par diffraction laser comprise entre 0,1 µm et 2,5 µm, de préférence entre 0,2 µm et 2 µm. Ces valeurs correspondent au diamètre moyen d50 représentant la valeur moyenne de la gaussienne de distribution. Une telle dimension permet avantageusement d’améliorer la compacité de la couche céramique déposée, notamment lorsque celle-ci doit être fritté par la suite, pour limiter la génération de contraintes pendant le frittage et ainsi la fissuration de la couche.The trainingS100of the ceramic layer(s) may include electrophoretic depositionS110ceramic on the previous layer. For example, electrophoretic depositionS110 can be carried out at a voltage between 50 V and 150 V. Similarly, electrophoretic depositionS110can last from 30 sec to 5 min. Generally, the voltage and/or duration are higher for the second and subsequent ceramic layers than for the first ceramic layer. The ceramic powder used for electrophoretic depositionS110may have a particle size measured by laser diffraction of between 0.1 µm and 2.5 µm, preferably between 0.2 µm and 2 µm. These values correspond to the average diameter d50 representing the average value of the Gaussian distribution. Such a dimension advantageously makes it possible to improve the compactness of the deposited ceramic layer, in particular when it must be sintered subsequently, to limit the generation of stresses during sintering and thus the cracking of the layer.
La formationS100de la ou des couches de céramique peut comprendre en outre le frittageS120de la couche de céramique déposée (
La formationS2 00de la ou des couches électriquement conductrices peut être réalisée par voie sèche tels que le dépôt physique en phase vapeur, le dépôt chimique en phase vapeur ou l’impression jet d’encre.The S2 00 formation of the electrically conductive layer(s) can be carried out by dry methods such as physical vapor deposition, chemical vapor deposition or inkjet printing.
Le procédé peut comprendre en outre le frittageS300de la pièce intermédiaire revêtue après la formationS100,S200de toutes les couches de céramique et les couches électriquement conductrices.The method may further comprise S300 sintering of the coated intermediate part after S100 , S200 formation of all ceramic layers and electrically conductive layers.
Après frittage, la taille des grains mesurées des couches de céramique mesurée par imagerie par diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD de l’anglaisElectron Backscatter Diffraction) est de préférence comprise entre 5 et 20µm.After sintering, the measured grain size of the ceramic layers measured by electron backscatter diffraction (EBSD) imaging is preferably between 5 and 20 µm.
Claims (10)
caractérisée en ce qu’elle comprend en outre sur la couche de silicium un empilement composé d’au moins deux couches de céramique d’au moins une couche électriquement conductrice, la ou les couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique, et chaque couche de céramique présentant une épaisseur inférieure à 20 µm.Turbomachine part comprising a substrate made of a ceramic matrix composite coated with a layer of silicon,
characterized in that it further comprises on the silicon layer a stack composed of at least two ceramic layers of at least one electrically conductive layer, the electrically conductive layer(s) alternating with the ceramic layers, and each ceramic layer having a thickness of less than 20 µm.
le procédé comprenant :
- la formation des deux couches de céramique ; et
- la formation d’au moins une couche électriquement conductrice ;
la ou des couches électriquement conductrices alternant avec les couches de céramique.Method for coating a turbomachine part from an intermediate part comprising a substrate made of a ceramic matrix composite coated with a layer of silicon, the turbomachine part comprising at least two layers of ceramic, each with a thickness of less than 20 µm,
the method comprising:
- the formation of the two ceramic layers; and
- the formation of at least one electrically conductive layer;
the electrically conductive layer(s) alternating with the ceramic layers.
A method according to one of claims 6 to 9, further comprising sintering the intermediate part after the formation of each ceramic layer.
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Citations (3)
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FR3084377A1 (en) * | 2018-07-24 | 2020-01-31 | Safran Ceramics | METHOD FOR ELECTROPHORESIS COATING OF A PART OF COMPOSITE MATERIAL BY AN ENVIRONMENTAL BARRIER |
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- 2023-03-31 FR FR2303163A patent/FR3147296A1/en active Pending
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