Brevet FR2496903A1 — publié le 19820625

ELEMENTS REFLECHISSANTS ET DETECTEURS COMPORTANT DES ELEMENTS REFLE- CHISSANTS La présente invention décrit des éléments réfléchissants, les procédés de fabrication de ces éléments et des détecteurs comportant de tels éléments. Les pyromètres à radiation sont des détecteurs utilisés pour la mesure de température d'objets se trouvant dans des environnements à tempéra- ture élevée tels que ailettes de turbine dans un moteur à turbine à gaz ou articles dans un four. Les composants optiques de tels pyromètres doivent être capables de travailler d'une manière satisfaisante dans des températures élevées et, dans ce but, les lentilles et les fil- tres doivent être faits, par exemple, en saphir de silice fondu. Cependant, il arrive que dans certaines applications, le pyromètre ou tout autre détecteur ne puisse pas être aligné directement avec l'ob- jet à observer. Ceci peut se produire spécialement lorsqu'on désire observer les ailettes d'un moteur à turbine à gaz. Dans de telles cir- constances, il est nécessaire de défléchir les radiations émanant de l'objet vers le détecteur en utilisant un miroir, un prisme ou tout autre conducteur de radiation. Etant donné les hautes températures ré- gnant dans les moteurs de cette catégorie, il a été difficile de cons- truire de tels conducteurs de radiations qui donnent entière satisfac- tion. Par exemple, les miroirs en métal conventionnel ou en métal cuit peuvent s'oxyder rapidement, ce qui a pour conséquence une perte de ré- flexion. Les prismes eux, seront sujet à des problèmes causés par la dilatation thermique différentielle fonction des composants sur les- quels ils sont montés, rendant de ce fait un montage sûr difficile à obtenir. Le but de la présente invention est donc de fournir un élément réflé- chissant et un procédé de fabrication d'un tel élément qui puisse ê- tre utilisé pour pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un des buts de la présente invention est d'obtenir un élément réflé- chissant tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que l'élément 249690s - 2 - est réalisé en un acier contenant du chrome, de l'aluminium et del'yttrium et en ce que cet élément comporte une surface réfléchissante constituée par une couche d'oxyde d'aluminium. La couche d'oxyde d'aluminium reste réfléchissante à de hautes tempéra- tures et résiste à l'érosion. L'acier peut contenir entre 15 et 22% de chrome, 4.0 et 5.2% d'aluminium et entre 0.05 et 0.4% d'yttrium. En plus, il peut contenir aussi entre 0.2 et 0.4% de silicone et entre 0.00 et 0.3% de carbone. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de fa- brication d'un tel élément réfléchissant caractérisé en ce que ce pro- cédé comporte les étapes de fourniture d'une pièce en un acier contenant du chrome, de l'aluminium et de l'yttrium, de chauffage d'au moins une surface de la pièce afin d'obtenir une couche de surface d'aluminium et de donner à la surface de ladite couche, la réflexion désirée finale. L'élément peut être usiné à la forme et à la taille désirées au moins en partie après la fabrication de ladite couche d'oxyde d'aluminium. L'élément réfléchissant peut être inclus dans un détecteur de radiations conjointement avec des moyens de détection de radiations, la surface de réflexion de l'élément étant disposée de façon à diriger les radiations vers les moyens de détection. A cet égard, le détecteur peut, par exem- ple, être un pyromètre à radiation ou un détecteur de vitesse d'ailet- tes de turbine. Un pyromètre à radiation comportant un élément réfléchissant selon l'in- vention et le procédé de fabrication d'un tel élément seront décrits en référence au dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une vue de côté oartielle en coupe du pyromètre en posi- tion dans un moteur à turbine à gaz, et - 3 - La figure 2 est une vue schématique montrant l'élément réfléchissant plus en détail. En référence à la figure 1, le pyromètre à radiation est monté sur le carter 2 d'un moteur à turbine à gaz 3 pour l'observation des ailettes de la turbine 4. Le pyrométre comporte un tube 10 en métal Nimonic dont l'extrémité ar- rière 11 est ouverte et reçoit un détecteur 12 de radiations infra-rou- ges situé dans l'axe du tube (il serait cependant préférable qu'un câ- ble en fibres optiques puisse être utilisé pour conduire les radiations du pyromètre à un détecteur éloigné). L'extrémité arrière 11 du tube est entouré par un élément d'assemblage 13 auquel est connecté un tuyau d'air sous pression. L'air de refroidissement descend à l'inté- rieur du tube 10 par l'intermédiaire d'ouvertures 15 qui s'ouvrent de l'élément d'assemblage 13 dans le tube. L'extrémité avant 16 du pyrométre 1 s'avance à travers une ouverture 17 dans le carter 2 du moteur. Un bouchon cylindrique 18 en Nimonic est soudé par faisceau électronique à l'extrémité avant du tube 10. Le bou- chon 18 a une ouverture centrale 19 évasée à son extrémité avant et qui sert au montage de l'ensemble miroir 20. L'ensemble miroir 20 représenté plus en détail par la figure 2 est un ensemble unitaire d'alliage Fecralloy (Marque déposée) c'est-à-dire un acier contenant 15.0 à 22% de chrome, 4.0 à 5,2% d'aluminium, 0.05 à 0.4% d'yttrium, 0.2 à 0.4% de silicone et 0.00 à 0.03% de carbone. L'ensemble comporte une portion de corps cylindrique 21 de laquelle dépend une portion de base cylindrique 22 de diamètre réduit évasée extérieurement (telle que par rivetage) à son extrémité inférieure pour former une portion de collerette ou rivet 23 qui se coince avec l'extrémité avant évasée de l'ouverture 19 de façon à caler le miroir en position. La partie 21 du corps s'appuie contre le bouchon 18 et comporte une surface supérieure réfléchissante 24 inclinée de 500 par rapport à l'axe du pyrométre. - 4 - Un orifice de visée circulaire 25 (fig. 1) est pratiqué dans la paroi du tube 1-0 contigu à la surface supérieure 24 de l'ensemble miroir 20 afin que les radiations infra-rouges provenant d'un point 26 de la tra- jectoire des ailettes de la turbine du moteur, tombent sur l'ensemble miroir. La surface réfléchissante 24 dirige les radiations selon l'axe du tube 10 vers le détecteur 12. L'air de refroidissement descendant à l'intérieur du tube 10 sort dans le moteur 3 par l'orifice 25. La surface réfléchissante de l'ensemble miroir 20 est constituée par une mince couche protectrice 27 d'oxyde d'aluminium qui sera décrite plus tard bien que cette couche protectrice puisse être formée sur la surface entière de l'ensemble. La couche protectrice 27 dure et résistante à l'érosion, sert à proté- ger la surface réfléchissante 24 de l'érosion par les produits de com- bustion. Les matériaux qui composent l'ensemble miroir 20 restent sta- bles et la couche 27 reste réfléchissante à des températures d'environ 10000 C ce qui les rend idéals pour l'environnement d'un moteur à tur- bine à gaz. L'air descendant dans le tube 10 circule sur l'ensemble miroir 20 et sert, jusqu'à un certain point, à le refroidir et à main- tenir la surface réfléchissante 24 libre de tous produits de combustion tels que la suie. L'ensemble miroir 20 est fabriqué par chauffage approprié d'un corps de Fecralloy afin d'obtenir une couche de surface d'oxyde d'aluminium, puis ce corps est usiné à la forme désirée mais ceci sans enlever la couche de surface qui doit former la surface réfléchissante 24. Le traitement par chauffage comporte l'élévation en température du corps jusqu'à environ 11500 C dans une atmosphère oxydante. Ceci explique la présence, dans les matériaux, d'aluminium qui se diffuse sur la surface o il est oxydé et forme de cette façon la couche de surfacé 27 d'oxyde d'aluminium sur tout le corps. Après l'usinage à la forme correcte, la couche de surface 27 de la face inclinée est polie et-a- doucie jusqu'à un fini miroir afin d'obtenir la surface réfléchissante 24 de l'ensemble miroir 20. Etant donné que la couche de surface 27 -5- est formée initiallement sur un corps relativement gros, ce corps doit également contenir une quantité correspondante d'aluminium qui puisse être diffusée sur la surface. Ceci aboutit à une couche d'oxyde d'alumi- nium plus épaisse que celle qui serait produite par un corps plus petit tel que celui obtenu après l'usinage de l'ensemble miroir qui aurait été façonné avant le traitement par chauffage. La couche plus épaisse permet à la surface d'être polie sans risquer de retirer entièrement la couche d'oxyde d'aluminium 24. Il est appréciable que la surface réfléchissante 24 n'ait pas nécessaire- ment besoin d'être aplanie mais qu'elle puisse être profilée de sorte à focaliser les radiations incidentes. La surface 24 ne nécessite pas une réflexion spéculaire mais doit, à la place, être réfléchissante partout. En place d'un solide bloc de matériau, un élément réfléchissant pour- rait être formé par cuisson d'un substrat ayant une composition en métaux telle que mentionnée ci-dessus et dont le traitement par chauf- fage produirait une couche de surface d'oxyde d'aluminium. L'élément réfléchissant en référence à la présente invention pourrait être utilisé dans des applications autres que celles du pyromètre à radiation o larésistance àla haute température ou à l'abrasion est né- cessaire. Un exemple d'une telle application est un détecteur de vites- se des ailettes de turbine o un faisceau de radiations est dirigé dans la zone des ailettes de turbine. Lorsque les ailettes tournent, elles traversent le faisceau et le réfléchissent sur le détecteur. Le détecteur de vitesse est une construction similaire à celle du pyro- métre décrit ci-dessus, l'élément réfléchissant étant monté à son extré- mité de façon à diriger l'énergie transmise par les ailettes et l'éner- gie réfléchie le long du détecteur. - 6 - REVENDICATIONS 1. Elément réfléchissant caractérisé en ce que l'élément (20) est réa- lisé en un acier contenant du chrome, de l'aluminium et de l'yttrium et en ceque 'él ément(20) comporte une surface réfléchissante (24) cons- tituée par une couche (27) d'oxyde d'aluminium. 2. Elément réfléchissant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'acier contient entre 15 et 22% de chrome, 4.0 et 5.2% d'aluminium et entre 0.5 et 0.4% d'yttrium. 3. Elément réfléchissant selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'acier contient aussi entre 0.2 et 0.4% de silicone et entre 0.00 et 0.03% de carbone. 4. Procédé de fabrication d'un élément réfléchissant, caractérisé en ce que ce procédé comprend les étapes de fourniture d'une pièce en un acier contenant du chrome, de l'alumimium et de l'yttrium, de chauffage d'aumoins une surface (24) de la pièce afin d'obtenir une couche de surface (27) d'oxyde d'aluminium et de donner à la surface (24) de ladite couche (27) la réflexion désirée finale. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'acier con- tient entre 15 et 22% de chrome, 4.0 et 5.2% d'aluminium et entre 0.05 et 0.4% d'yttrium. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'acier con- tient aussi entre 0.2 et 0.4% de silicone et entre 0.00 et 0.03%' de carbone. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que la pièce est usinée à la forme et à la taille désirées au moins en partie après la fabrication de ladite couche d'oxyde d'alumi- nium. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la couche de surface d'oxyde d'aluminium est polie jusqu'à - 7 - un fini optique afin de le rendre spéculairement réfléchissant. 9. Appareil détecteur de radiationscomprenant un détecteur de radiations et un élément réfléchissant, caractérisé en ce que l'élément réfléchis- sant (20) est en acier contenant du chrome, de l'aluminium et de l'yt- trium et que cet élément (20) a une surface réfléchissante (24) consti- tuée par une couche d'oxyde d'aluminium (27). 1O.Pyromètre à radiation comprenant un détecteur de radiations,caracté- risé en ce que le pyromètre (1) comprend un élément réfléchissant (20) ayant une surface réfléchissante (24) disposée pour diriger les radia- tionsexternes vers le détecteur (12) et en ce que l'élément réfléchis- sant (20) est en un acier contenant du chrome, de l'aluminium et de l'yttrium, la surface réfléchissante (24) étant constituée par une cou- che d'oxyde d'aluminium. 11.Détecteur de vitesse d'ailettes deturbine comprenant un émetteur de radiations qui envoie des radiations endirection des ailettes de la tur- bine et un détecteur de radiations qui reçoit les radiations réfléchies par lesdites ailettes, caractérisé en ce que le détecteur de vitesse comprendunélément réfléchissant ayant une surface réfléchissante po- sitionnée de. sorte à diriger les radiations de l'émetteur vers les ai- lettes de la turbine et à diriger les radiations réfléchies par les ailettes de la turbine vers le détecteur de radiations et en ce que l'élément réfléchissant est en un acier contenant du chrome, de l'alu- minium et de l'yttrium, la surface réfléchissante étant constituée par une couche d'oxyde d'aluminium.