Brevet FR2891896A1 — publié le 20070413

Procédé d'instrumentation d'un élément en matériau composite à matrice céramique La présente invention concerne un procédé d'instrumentation d'un élément en matériau composite à matrice céramique, tel en particulier qu'un élément de paroi d'une chambre de combustion d'une turbomachine. Les chambres de combustion des turbomachines, notamment des moteurs d'avion, sont en matériaux métalliques et produisent des oxydes d'azote (NOx) et du dioxyde de carbone (CO2) qui sont rejetés à l'atmosphère et sont des causes de pollution et d'augmentation de l'effet de serre. Pour répondre à des normes de lutte contre la pollution de plus en plus sévères, on est amené à augmenter les températures de combustion, ce qui réduit les émissions de CO2 mais augmentent les productions de NOx, que l'on réduit en améliorant le mélange air-carburant dans la chambre de combustion. Cela amène à réduire le débit d'air utilisé pour le refroidissement des parois de la chambre de combustion pour augmenter de façon correspondante le débit d'air utilisé pour la combustion du carburant. L'augmentation des températures de combustion et la réduction des débits d'air de refroidissement conduisent à utiliser pour former les parois des chambres de combustion, de nouveaux matériaux tels que les matériaux composites à matrice céramique (CMC selon l'appellation couramment utilisée dans la technique) qui ont l'avantage d'avoir une faible densité (environ 2) et de supporter des températures de fonctionnement supérieures à 1200 C. La réalisation de chambres de combustion avec des éléments de paroi en CMC, impose de procéder tout d'abord à des séries de mesures sur ces éléments et notamment de surveiller leurs températures en des points qui seront soumis aux contraintes thermiques les plus élevées en utilisation. Comme les matériaux CMC sont de mauvais conducteurs thermiques, les capteurs de température utilisés (typiquement des thermocouples) doivent être insérés au coeur du matériau. Les techniques connues d'instrumentation des éléments de paroi métalliques des chambres de combustion consistent à usiner des gorges dans les surfaces extérieures des éléments de paroi, à placer des thermocouples au fond de ces gorges et à les maintenir par des pontets métalliques soudés par points sur les éléments de paroi. Elles ne peuvent toutefois être utilisées pour des éléments en matériau CMC, notamment ceux à matrice auto-cicatrisante du type décrit dans le document EP-A-O 817 762, qui ne supportent pas les usinages pour matériaux métalliques. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème. Elle propose à cet effet un procédé d'instrumentation d'un élément soumis en fonctionnement à des contraintes thermomécaniques, en particulier dans une chambre de combustion d'une turbomachine, consistant à former des cavités non débouchantes dans l'élément depuis sa surface extérieure et à placer dans ces cavités des capteurs maintenus par des moyens rapportés sur la surface extérieure de l'élément, caractérisé en ce que, l'élément étant en matériau composite à matrice céramique, il consiste : - à former des trous borgnes dans l'élément depuis sa surface extérieure au moyen d'un faisceau laser, en réglant la profondeur des trous formés dans l'élément à partir du nombre d'impulsions laser par trou, - et à introduire et à fixer des capteurs de mesure dans les trous borgnes, ces capteurs étant reliés à des moyens d'acquisition et de traitement de données. Le procédé selon l'invention permet d'instrumenter un élément en matériau CMC sans usinage mécanique de cet élément et donc sans 30 risque de détérioration du matériau CMC. La détermination du nombre d'impulsions laser à utiliser pour chaque trou permet de former des trous avec une profondeur donnée, suffisante pour y introduire un capteur de mesure placé au coeur du matériau. Typiquement, cette profondeur est comprise entre 1 et 5mm environ dans le cas d'un élément de paroi d'une chambre de combustion d'un turboréacteur. Le faisceau laser utilisé est par exemple du type YAG pulsé. La focalisation du faisceau laser sur une surface extérieure de l'élément et à une distance donnée de celle-ci permet de déterminer le diamètre des trous borgnes, qui est légèrement supérieur à celui des capteurs et par exemple de 0,6mm environ pour un thermocouple d'un diamètre de 0,5 mm. Les paramètres d'utilisation du laser dépendent notamment de l'épaisseur et du type de matériau CMC de la pièce. Ces paramètres sont déterminés, préalablement à la formation des trous borgnes dans l'élément, par des essais successifs dans une pièce éprouvette de même épaisseur que l'élément et réalisée dans le même matériau composite à matrice céramique que l'élément. Dans un mode de réalisation de l'invention, les axes des trous borgnes réalisés dans l'élément sont orientés dans la même direction, et s'étendent sensiblement à 60 par rapport à la normale à la surface extérieure de l'élément. Les capteurs sont fixés dans les trous borgnes par un moyen approprié tel que par exemple un ciment réfractaire du commerce. Chaque capteur est relié à des moyens d'acquisition et de traitement de données par l'intermédiaire de fils conducteurs qui sont maintenus sur la surface extérieure de l'élément par des pontets fixés sur l'élément par collage au moyen d'un ciment réfractaire du commerce. Ces pontets sont préférentiellement réalisés dans le même matériau que l'élément pour avoir la même tenue thermique et le même coefficient de dilatation. L'invention concerne également des éléments de paroi d'une chambre de combustion d'une turbomachine, comprenant une pluralité d'orifices débouchants pour le passage d'air de refroidissement par ventilation de cette paroi, caractérisés en ce que les éléments de paroi sont en matériau composite à matrice céramique et comprennent des trous borgnes formés par un faisceau laser et destinés à recevoir des capteurs de mesure. Les orifices débouchants et les trous borgnes des éléments peuvent être réalisés avec un même faisceau laser, par exemple du type YAG pulsé. Dans un mode de réalisation préféré, les orifices débouchants et les trous borgnes de l'élément sont sensiblement parallèles et s'étendent sensiblement à 60 par rapport à la normale à la surface extérieure de chaque élément. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de cette invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente très schématiquement l'instrumentation d'un élément en matériau composite à matrice céramique ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe selon la ligne II-Il de la 20 figure 1, à plus grande échelle, et illustre des trous borgnes de logement de capteurs de mesure ; - la figure 3 représente très schématiquement un instrument de mesure de la profondeur d'un trou borgne formé dans une pièce éprouvette ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale de la pièce 25 éprouvette de la figure 3, à plus grande échelle, et illustre une première étape de détermination de la profondeur du trou borgne ; - la figure 5 est une vue schématique correspondant à la figure 4 et illustre une seconde étape de détermination de la profondeur du trou borgne. On a représenté aux figures 1 et 2, un élément de paroi 10 en 30 matériau CMC d'une chambre de combustion d'une turbomachine qui comporte une pluralité d'orifices débouchants 12 de passage d'air de refroidissement et qui a été équipé de capteurs de mesure 14 au moyen du procédé d'instrumentation selon l'invention. Typiquement, l'élément 10 est formé d'une matrice céramique dans laquelle sont noyées des fibres de renfort en une matière réfractaire telle que du carbone ou une céramique, ce matériau étant décrit par exemple dans le document EP-A-O 817 762. Le procédé selon l'invention consiste essentiellement à introduire les capteurs de mesure 14 dans des trous borgnes 16 de l'élément formés au moyen d'un faisceau laser du type pulsé depuis la surface extérieure 18 de l'élément, et à relier ces capteurs à des moyens 20 d'acquisition et de traitement des données. Les capteurs 14 sont reliés à ces moyens 20 par des fils conducteurs 22 qui sont maintenus sur la surface extérieure 18 de l'élément au moyen de pontets 24 en matériau CMC collés par un ciment réfractaire sur l'élément. Les capteurs 14 sont également collés par un ciment réfractaire dans les trous borgnes 16. Les trous borgnes 16 sont identiques et leurs formes et dimensions sont déterminées par les paramètres d'utilisation du laser. L'orientation des trous borgnes 16 dans l'élément dépend de l'angle d'incidence du faisceau laser sur la surface extérieure 18 de l'élément. Dans l'exemple représenté, les trous borgnes 16 sont parallèles et s'étendent sensiblement à 60 par rapport à la normale à la surface extérieure 18 de l'élément, comme les orifices débouchants 12. La profondeur des trous borgnes 16 est réglée à partir du nombre d'impulsions laser utilisées pour chaque trou. Les fonds des trous 16 sont préférentiellement situés à mi-épaisseur de l'élément afin d'être dans la zone consolidée du matériau où sont situées les fibres de renfort. Cela permet aux capteurs d'effectuer des mesures au coeur du matériau. Le nombre d'impulsions laser par trou est dans un exemple compris entre 10 et 20 pour former des trous borgnes avec une profondeur comprise entre 1 et 5mm environ. Le diamètre des trous borgnes 16 est déterminé par focalisation du faisceau laser sur la surface extérieure 18 de l'élément à une distance donnée de celle-ci qui est par exemple de quelques millimètres. Le diamètre des trous borgnes doit être légèrement supérieur à celui des capteurs et par exemple compris entre 0,5 et 0,6mm environ, en particulier de 0,6mm pour un capteur d'un diamètre de 0,5mm. Les trous borgnes 16 sont de forme sensiblement cylindrique et ont un diamètre à peu près constant sur toute leur longueur. En variante, les trous borgnes 16 peuvent être de forme tronconique ou conique. La durée des impulsions laser est de l'ordre de la milliseconde et la fréquence des impulsions est de 20Hz environ, pour un laser YAG pulsé. Pour déterminer les paramètres d'utilisation du laser pour la formation de trous borgnes ayant un diamètre et une profondeur donnés dans l'élément, on effectue des essais préalables sur une pièce éprouvette qui est réalisée dans le même matériau CMC que l'élément et de même épaisseur que celui-ci. Le diamètre d'un trou borgne 28 formé dans une pièce éprouvette 30 est déterminé au moyen de piges de diamètres connus qui sont introduites à tour de rôle, par exemple par ordre croissant de diamètre, dans le trou, le diamètre de la dernière pige pouvant être introduite dans le trou correspondant au diamètre du trou. La profondeur d'un trou borgne 28 d'une pièce éprouvette 30 est déterminée au moyen de l'instrument de la figure 3. Cet instrument comprend une équerre en V 34 comprenant une première branche 36 posée à plat sur un support horizontal 38 et une autre branche 40 sur laquelle est maintenue la pièce éprouvette 30, la surface extérieure 42 de la pièce éprouvette étant située du côté opposé à l'équerre 34 et le trou borgne 28 étant orienté verticalement, le fond du trou étant dirigé vers le support 38. Pour cela, l'angle entre les deux branches 36, 40 de l'équerre est égal à l'angle entre l'axe 44 du trou et la normale à la surface de la pièce. Dans l'exemple représenté, l'équerre forme un angle de 60 . Le dispositif comprend également un système du type pied à coulisse comprenant un curseur 46 déplaçable le long d'un bras vertical gradué 48 posé sur le support 38 pour la mesure de la distance X entre le curseur et le support 38. En figure 4, le curseur 46 est amené en XI et X2 au niveau des bords inférieur et supérieur du trou 28, respectivement. La moyenne entre ces deux valeurs (X1+X2)/2 donne la position X3 du point d'intersection entre l'axe 44 du trou et le plan passant par la surface extérieure 42 de la pièce. En figure 5, une pige 32 qui a servi à déterminer le diamètre du trou est introduite dans le trou jusqu'à ce que son extrémité inférieure soit en contact avec le fond du trou. Le curseur 46 est alors amené en position X4 au niveau de l'extrémité supérieure de la pige. Cette pige étant de longueur L connue, on détermine la profondeur P du trou par la relation suivante : P = X3 + L û X4. Le tableau ci-dessous indique le nombre d'impulsions laser utilisées pour la formation de trous borgnes de 0,55 et 0,60mm de diamètre dans un élément en matériau CMC de 2,8mm d'épaisseur, le laser utilisé étant du type YAG pulsé, l'angle d'incidence du faisceau laser avec la surface extérieure de l'élément étant de 60 , la distance entre le laser et l'élément étant de 5mm, la durée d'impulsion laser étant de l ms et la fréquence des impulsions étant de 21,4Hz. Diamètre des trous (mm) 0,55 0,55 0,55 0,60 0,60 0,60 Nombre d'impulsions laser 11 12 15 11 16 19 Profondeur des trous (mm) 2,5 2,7 3,2 1,6 2 2,6 Pour un diamètre de trous donné, plus le nombre d'impulsions est élevé plus la profondeur du trou est grande, et, pour une profondeur de trous donnée, plus le diamètre des trous est important et plus le nombre d'impulsions sera élevé. Le procédé selon l'invention permet par exemple d'instrumenter un élément en matériau CMC avec des thermocouples qui permettent de mesurer les températures en des points de l'élément soumis à des contraintes thermomécaniques élevées.10 REVENDICATIONS 1. Procédé d'instrumentation d'un élément soumis en fonctionnement à des contraintes thermomécaniques, en particulier dans une chambre de combustion d'une turbomachine, consistant à former des cavités non débouchantes dans l'élément depuis une surface extérieure et à placer dans ces cavités des capteurs de mesure maintenus par des moyens rapportés sur la surface extérieure de l'élément, caractérisé en ce que, l'élément (10) étant en matériau composite à matrice céramique, il consiste : - à former des trous borgnes (16) dans l'élément depuis sa surface extérieure (18) au moyen d'un faisceau laser, en réglant la profondeur des trous (16) formés dans l'élément à partir du nombre d'impulsions laser par trou, - et à introduire et à fixer des capteurs (14) dans les trous borgnes (16), ces capteurs étant reliés à des moyens (20) d'acquisition et de traitement de données. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre des trous borgnes (16) est déterminé par focalisation du faisceau laser. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la durée d'impulsion laser est de l'ordre de la milliseconde, la fréquence des impulsions est de 20Hz environ et le nombre d'impulsions par trou est compris entre 10 et 20. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 25 ce que le laser est du type YAG pulsé. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous borgnes (16) s'étendent sensiblement jusqu'à mi-épaisseur de l'élément (10). 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 30 que les trous borgnes (16) ont une forme cylindrique, tronconique ou conique. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les axes des trous borgnes (16) sont orientés dans la même direction, et s'étendent sensiblement à 60 par rapport à la normale à la surface extérieure (18) de l'élément (10). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous borgnes (16) ont un diamètre légèrement supérieur à celui des capteurs et par exemple compris entre 0,5 et 0,6mm environ. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous borgnes (16) ont une profondeur comprise entre 1 et 5mm environ. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les capteurs (14) utilisés sont des thermocouples. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste, préalablement à la formation des trous borgnes (16) dans l'élément (10), à déterminer les paramètres d'utilisation du laser dans une pièce éprouvette (30) de même épaisseur que l'élément et réalisé dans le même matériau composite à matrice céramique que l'élément. 12. Eléments de paroi d'une chambre de combustion d'une turbomachine, comprenant une pluralité d'orifices débouchants (12) pour le passage d'air de refroidissement par ventilation de cette paroi, caractérisés en ce que les éléments de paroi (10) sont en matériau composite à matrice céramique et comprennent des trous borgnes (16) formés par un faisceau laser et destinés à recevoir des capteurs de mesure (14). 13. Eléments de paroi selon la revendication 12, caractérisés en ce que les orifices débouchants (12) et les trous borgnes (16) sont sensiblement parallèles et s'étendent sensiblement à 60 par rapport à la normale aux surfaces extérieures (18) des éléments (10).