Brevet FR2569851A1 — publié le 19860307

La présente invention concerne la détection de défauts d'adhérence (c'est- à-dire la détection de bulles ou "mauvaises liaisons") dans un revêtement appliqué à une surface. Les aubes de turbine d'un moteur à turbine à gaz sont frappées par des gaz chauds et, comme cela est bien connu, plus les gaz sont chauds, plus le rendement du cycle thermodynamique du moteur est élevé. Cependant, les hautes températures ont tendance à dégrader les aubes de la tur- bine. C'est pourquoi on recouvre généralement les aubes avec un revêtement formant une barrière thermique de protection (RBT). Un type de revêtement formant barrière thermique de protection est constitué d'une couche ayant une épaisseur comprise entre 0,076 et 0,41 mm d'oxyde de zirconium stabi- lisé avec 8 % d'yttria (Y203). Pour être efficace, il faut que ce revêtement soit solidement lié à l'aube, c'est- à-dire ne présente aucune bulle, ou défaut d'adhérence comme cela est le cas de la figure 1. Dans cette figure, une partie 3 n'adhère pas au substrat métallique 6 de l'aube dans une zone 9. Les défauts d'adhérence sont fâcheux car un matériau non-adhérent 12 s'effrite et se détache de l'aube, laissant sans protection le métal de la zone 9. En conséquence, lors de l'application d'un revête- ment formant barrière thermique de protection, il est sou- - 2 - haitable de détecter les zones de défauts d'adhérence du revêtement, c'est-à-dire de mauvaise fixation de celui-ci. La présente invention a pour objet un dispositif perfectionné de mesure de l'adhérence d'un revêtement à une S surface. La présente invention a pour autre objet un dispo- sitif perfectionné pour la détection de défaut d'adhérence dans un revêtement formant barrière thermique d'une aube de moteur à turbine à gaz. Dans un mode de réaliasation de la présente inven- tion, après transfert de chaleur à un matériau stratifié, on procède à la mesure de différentiels de température à cer- tains endroits du matériau. Un défaut présent dans le stra- tifié sera révélé par une différence entre la température régnant à l'emplacement du défaut et les températures des autres endroits. La suite de la présente description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, un défaut d'adhérence 12 dans un ma- tériau feuilleté; - figure 2, un mode de réalisation de la présente invention; figure 3, le trajet 39 suivi par le faisceau laser 18 de la figure 2 lors du balayage d'une cible 23; figures 4A-4L des courbes de la température en fonction de la position de la cible 23 de la figure 2, les valeurs étant prises à des intervalles de 0,10 secondes. La figure 2 représente un mode de réalisation de la présente invention, dans laquelle un laser 15, de préfé- rence un laser YAG tel que le modèle n 512Q de la société dite Control Laser Coporation, Orlando, Floride, produit un faisceau laser 18 qui est projeté sur un miroir de balayage 21, lequel réfléchit le faisceau sur une cible 23. On a représenté la cible 23 sous forme d'un bloc, mais celle-ci peut être constituée d'une aube de moteur à turbine à gaz. 3- La cible 23 comporte un substrat métallique 6 supportant un revêtement formant barrière thermique de protection 23A. Un radiomètre 24 de balayage aux infrarouges (appelé appareil de photographie aux infrarouges) tel que le modèle n 525 de la société dite Inframetrics, Bedford, MA., est pointé vers la cible 23 de manière à en recevoir l'image. Par suite du mouvement, représenté par les flèches 27, du miroir 21, le faisceau laser 18 balaie la cible 23. Lorsque le faisceau laser 18 frappe une zone 30 de la figure 1 (ce faisceau n'est pas représenté en figure 1), zone dans laquelle le revêtement formant barrière thermique de protection est correctement fixé, ce revêtement s'é- chauffe. Cependant, par suite de la bonne adhérence au subs- trat métallique 6, il se produit un transfert rapide de la chaleur et la chaleur conférée par le faisceau laser 18 au revêtement est dissipée par le substrat 6. Par contraste, lorsque le faisceau laser 18 frappe la zone 9 présentant un défaut d'adhérence, l'absence d'une bonne fixation dans cette zone empêche un bon transfert de la chaleur jusqu'au substrat 6. Plus précisément, le revêtement -formant barrière thermique de protection, étant constitué d'une céramique de faible coefficient de transfert de la chaleur, a tendance à conserver la chaleur que lui a conféré le faisceau laser. Mais, si le revêtement est en contact avec le substrat métallique-6, dont le coefficient de transfert de la chaleur est très supérieur (éventuellement de 2 à 3 ordres de gran- -deur), le substrat métallique dissipe alors la chaleur. Le chauffage différentiel de la zone 30 ayant une adhérence correcte par rapport à la zone 9 mal fixée peut être détecté par l'appareil photographique aux infrarouges. On procédera maintenant à la discussion d'un exemple d'une détection de ce type. On a réalisé la cible 23 de la figure 2 sous forme d'un substrat de 13 cm2 en alliage dit Hastelloy X (L'Has- telloy est une marque déposée de la société dite Cabot Cor- -4- poration, Kokomo, Indiana.). Sur le substrat d'une épaisseur de 3,2 mm, on a pulvérisé par plasma sous vide une couche de -- liaison d'une épaisseur de 15 à 20 micronmètres en alliage NiCrAlY, opération qu'on a fait suivre d'un revêtement par pulvérisation par plasma d'oxyde de zirconium (ZrO2) sta- bilisé avec 8 % d'Yttria (Y203). On a produit artifi- ciellement des défauts d'adhérence 33 et 36 (figure 3) en appliquant un inhibiteur de brasage appelé dans l'art du brasage "produit de masquage". Le défaut d'alignement 33 avait un diamètre de 6,4 mm et le défaut 36 de 9,5 mm. Le faisceau laser 18 réfléchi par le miroir de balayage 21 de la figure 2 procédait à un balayage suivant la ligne 39 de la figure 3. La taille du point de balayage laser (diamètre du faisceau frappant le revêtement formant barrière thermique de protection) était de 4 mm et le laser fonctionnait à une puissance d'environ 50 watts. Le balayage de la surface du revêtement par le point du faisceau laser s'est effectué à une vitesse d'environ 25 mm par seconde. L'appareil photographique 24 de la figure 2 a reçu une image de la ligne de balayage 39 de la figure 3 et pro- duit un tracé 43 sur son appareil de contrôle de sortie 42 (figure 2) de la température du revêtement en fonction de la position sur la ligne de balayage. Par exemple, la tempéra- ture au point 46 de la figure 2 correspond au point 46A de la figure 3. La courbe obtenue variait avec le temps, comme représenté par les figures 4A-4K. Ces figures illustrent la forme réelle des courbes obtenues aux instants indiqués par les chiffres portés en abscisse. A l'instant t = 0,90 seconde, la courbe ressemble à celle de la figure 4A. Le lecteur remarquera une augmenta- tion dans la température, dans la zone 75, à la partie droite de la courbe. Cette augmentation est due au fait que le faisceau du laser de balayage est sur le point d'entrer dans le champ de vision de l'appareil photographique, à partir de la droite. Cet effet est représenté plus claire- -_ 5 _ ment en figure 4B, o le faisceau laser est entré dans le champ de l'appareil photographique et se trouve approximati- vement dans la zone 77. Une augmentation de la température se produit dans cette zone 77. Les figures 4C-4L illustrent les variations de température se produisant lorsque le fais- ceau laser balaie le champ de vision de l'appareil photogra- phique, de la droite vers la gauche, le point du faisceau occupant la zone approximative représentée par le cercle en traits discontinus 77. Au moment o le point du faisceau laser quitte le champ de vision, il reste deux pics de cha- leur 80 en figure 4L. Ces pics correspondent aux défauts d'adhérence 33 et 36 de la figure 3 et se produisent pour les raisons discutées précédemment. On souhaite souligner les trois points suivants. Tout d'abord, dans la discussion précédente, on a mentionné le chauffage du revêtement formant barrière thermique de protection, opération qu'on a fait suivre de la constatation de l'existence de zones de refroidissement différentielles (c'est-à-dire que la pointe 82 de la figure 4L a un aspect différent de la zone 85). Cependant, le chauffage du revête- ment n'est pas indispensable, mais on peut effectuer une opération de refroidissement, par exemple par application d'un gaz froid, qu'on fait suivre par la constation de zone d'échauffement différentiel. Ainsi, la présente invention impose le transfert de chaleur à un système comportant un substrat de revêtement, transfert qu'on fait suivre par la détection de zone ayant des températures différentes. Dans le cas du chauffage du revêtement, le transfert de chaleur serait positif (au sens algébrique du terme); il serait négatif dans le cas du refroidissement. Un transitoire de température est l'historique de la température en fonction du temps d'une zone du revête- ment. Par exemple, les points 87A-87L en figure 4A-4L repré- sentent un transitoire de température de la zone du revête- ment 23A à laquelle ils sont associés. - 6 - En second lieu, la discussion précédente a décrit le chauffage de la cible 23 en utilisant un laser fonction- nant à une certaine puissance, avec une taille donnée du point du faisceau, et suivant une certaine vitesse de ba- layage. Etant donné qu'un watt = un Joule/sec., un laser de watts procédant à un balayage avec un point de 0,13 cm2 à une vitesse de 25 mm par seconde, fournit une puissance de 235 Joules par cm2 et par seconde. Ainsi, on peut décrire le chauffage en termes de projection d'une puissance de 235 Joules par cm2 par seconde sur le revêtement formant bar- rière thermique de protection. On notera que la puissance (c'est-à-dire les Joules par seconde) se mesure au droit du laser, alors que pour la taille du point de balayage et la vitesse de balayage, la mesure est considérée au droit du revêtement. Par conséquent, la description précédente n'en- visage pas le rendement du transfert d'énergie entre le laser et le revêtement, bien que ce rendement soit générale- ment assez élevé. Ainsi, la discussion précédente a porté sur une comparaison de la température des zones du revêtement qui sont isolées physiquement sur la même ligne de balayage du faisceau laser. Cependant, cela n'a pas besoin d'être le cas. On peut constater la température d'un revêtement dont l'adhérence est correcte et l'utiliser comme référence au lieu d'une zone, telle que la zone 85 de la figure 4L. On vient de décrire une invention o la dissipa- tion différentielle de la chaleur entre un revêtement for- mant barrière thermique de protection présentant des défauts d'adhérence et un revêtement correctement fixé sert à détec- ter les parties non adhérentes. On utilise un laser pour chauffer les deux types de zones et emploie un radiomètre de balayage aux infrarouges pour procéder à la mesure de la température de ces deux types de zone en fonction du temps. On a trouver que la température des zones présentant des défauts d'adhérence reste plus élevée pendant une durée -7 f: - 7 =: : mesurable. La présente invention utilise cette découverte pour la détection des zones non adhérentes. De nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées sans s'écarter du domaine de la présente S invention. Par exemple, il n'est pas nécessaire d'utiliser un laser pour procéder au chauffage; on peut le remplacer par une source d'air chaud ou une source rayonnant de la chaleur. En outre, dans la discussion précédente, on a con- sidéré le revêtement d'une aube de turbo-moteur. La présente invention n'est pas limitée à la détection des défauts d'ad- hérence dans le seul cas des: aubes, mais permet une telle détection pour d'autres:composants du moteur. - En outre, on peut étendre les principes de la présente invention à la détection des défauts d'adhérence en général, présents dans n'importe quel matériau stratifié. - 8 - REVENDICATIONS 1. Procédé de détection de l'absence de contact entre un revêtement (23A) et un substrat (6), caractérisé en ce qu'il consistes à: (a) tranférer de la chaleur au revêtement; (b) mesurer des différentiels des températures du revêtement en des positions choisies; (c) comparer par rapport à une référence des tem- pératures sélectionnées parmi les températures mesurées. 2. Procédé de détection de défaut d'adhérence entre un revêtement formant barrière thermique (23A) et un composant d'un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) balayer un faisceau laser (18) sur le revête- ment pour chauffer ce dernier; (b) mesurer la température du revêtement après chauffage en utilisant un radiomètre de balayage aux infra- rouges (24); (c) constater (42) l'existence d'un refroidisse- ment différentiel du revêtement. 3. Procédé de détection d'un défaut d'adhérence entre -un revêtement (23A) formant barrière thermique de protection et un composant d'un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) appliquer de l'énergie au revêtement (23A) de manière à modifier suffisamment sa température pour produire des gradients thermiques mesurables à la surface du matériau; (b) cesser de fournir de l'énergie au revêtement; (c) contrôler la température du revêtement de manière à détecter les différences vitesses de chauffage ou de refroidissement en diverses zones du revêtement. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le chauffage du revêtement s'effectue par projection d'éner- gie laser (18) sur le revêtement à un taux d'environ 235 235 Joules par cm par seconde. Joules par cm par seconde.