Brevet FR2942874A1 — publié le 20100910

La présente invention concerne un procédé pour la réalisation d'un dispositif de mesure sur une pièce, comportant le dépôt d'une première couche d'une céramique électriquement isolante sur une surface de cette pièce, le placement d'un capteur sur cette première couche de céramique, puis le dépôt d'une deuxième couche de céramique qui recouvre la totalité de ce capteur. Un certain nombre de pièces mécaniques, notamment dans les turbines aéronautiques, sont soumises en service à des températures très élevées, et à des contraintes importantes causées par leur mise en rotation à grande vitesse (force centrifuge). Dans le cadre du développement de nouveaux turboréacteurs il est nécessaire d'optimiser le dimensionnement de ces pièces, pour des raisons d'encombrement, de poids, et de coût. Ce dimensionnement s'effectue notamment par des essais en laboratoire ou en condition de fonctionnement, pendant lesquels on mesure, à l'aide de capteurs, un certain nombre de paramètres propres à la pièce. Les mesures de ces paramètres sont également essentielles pour la certification des pièces auprès des autorités. Ces capteurs peuvent être par exemple une jauge de contraintes (destinée à mesurer les déformations de la pièce), et/ou un thermocouple (destiné à mesurer la température de la pièce). Afin de mesurer effectivement les paramètres de la pièce, il est indispensable que le capteur adhère parfaitement à la surface de la pièce. Actuellement, la technique utilisée pour le dépôt de la première et de la deuxième couche de céramique sur la pièce est la projection flamme. Cette technique est validée jusqu'à des températures de 1050°C et des vitesses de rotation de pièces de 18 000 tours/min. Cependant, les turbines aéronautiques de nouvelle génération doivent fonctionner à des températures et des vitesses de rotation encore supérieures, jusqu'à 1200°C et au-delà de 20 000 tours/min. Or il est constaté que sous l'influence de la température et de la force centrifuge, il se produit un délaminage au sein des couches de céramique enrobant le capteur. Ce délaminage conduit à la perte du capteur par décollement partiel ou complet de ce dernier du substrat (pièce) sous l'effet de la force centrifuge. Une perte trop importante de capteurs peut remettre en cause une campagne de tests, donc retarder la certification et entraîner une perte financière importante. Lors de recherches ayant conduit à l'invention, on a identifié comme causes du délaminage le fait que les techniques utilisées jusqu'à présent pour le dépôt des couches de céramique produisent des dépôts de structure lamellaire, avec les lamelles orientées parallèlement à la surface de la pièce. Les contraintes thermomécaniques liées aux conditions d'essai génèrent ainsi des microfissures dans un plan parallèle à la surface de la pièce. Ces microfissures se propagent entre les lamelles et à l'interface avec la pièce, et conduisent à un délaminage. La présente invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention vise à proposer un procédé qui permette de prévenir la propagation de ces microfissures, et ainsi d'augmenter la durée de vie des capteurs sur ces pièces des turbines aéronautiques de nouvelle génération qui sont soumises aux sollicitations mécaniques et thermiques les plus élevées. Ce but est atteint grâce au fait que la première couche de céramique 20 est déposée en structure colonnaire. Grâce à ces dispositions, les microfissures générées par la température et la force centrifuge tendent à se propager le long de la structure colonnaire, perpendiculairement au substrat (pièce), et non pas parallèlement au substrat. En effet, les colonnes de céramique bloquent la 25 propagation des fissures parallèlement au substrat. De plus, un dépôt colonnaire accommode plus facilement les dilatations du substrat, parallèles à la surface de ce substrat. La première couche a également pour rôle d'isoler électriquement le capteur et le substrat. En effet, le substrat est en général conducteur 30 électrique. Avantageusement la céramique électriquement isolante est de l'alumine. En effet, l'alumine constitue une bonne isolation électrique à hautes températures, ce qui permet d'isoler électriquement le capteur du substrat de façon efficace. 35 Avantageusement, la première couche de céramique a une certaine épaisseur. En effet, le capteur est ainsi mieux isolé électriquement du substrat. En outre l'invention se révèle avantageuse lorsque les couches de céramique ont une certaine épaisseur, car dans ce cas le gradient de contraintes (générées par la force centrifuge) au sein d'une couche est plus important et plus de microfissures sont générées. Typiquement, la première couche a une épaisseur supérieure à 10 pm. L'influence de l'épaisseur des couches de céramique devient très gênante, et l'invention se révèle particulièrement avantageuse, lorsque cette épaisseur est supérieure à 50 pm. Afin de limiter la masse du capteur et de diminuer son influence sur l'aérodynamique des pièces, l'épaisseur de la première couche n'est en général pas supérieure à 150 pm. L'invention concerne également un dispositif de mesure apte à recouvrir une partie d'une pièce, notamment pour mesurer la déformation ou la température de celle-ci. Selon l'invention ce dispositif de mesure comprend une première couche de céramique à structure colonnaire recouvrant une surface de cette pièce, un capteur placé sur la première couche, et une deuxième couche de céramique recouvrant la totalité de ce capteur. 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. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1A à 1D illustrent les étapes d'un exemple de procédé selon l'invention appliqué à la surface d'une pièce, les figures 2A à 2F illustrent les étapes d'un autre exemple de procédé selon l'invention appliqué à la surface d'une pièce, la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure ID, la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2F, la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 2F, la figure 6 est une vue en coupe d'un autre exemple de dispositif de mesure selon l'invention. La figure 1A représente, vue de dessus, une partie 94 de la surface 92 d'une pièce 90 sur laquelle le dispositif de mesure est destiné à être 35 déposé. Optionnellement, cette partie 94 de la surface de la pièce 90 est préparée pour faciliter l'adhérence de la couche destinée à être déposée dessus. Cette préparation consiste par exemple en un dégraissage et un sablage. On dépose ensuite sur cette partie 94 une première couche 10 de céramique, comme illustré sur la figure 2B. Pour cette première couche 10, on choisit un procédé de dépôt de la céramique permettant d'obtenir une structure colonnaire, c'est-à-dire que la céramique se dépose en colonnes orientées perpendiculairement à la partie 94 de la surface de la pièce. Par exemple, la première couche de céramique est déposée par un procédé de dépôt choisi entre le dépôt physique en phase vapeur assisté par faisceau d'électrons, le dépôt chimique phase vapeur amélioré, et la projection plasma atmosphérique colonnaire. Le procédé de dépôt physique en phase vapeur assisté par faisceau d'électrons (ou EBPVD : Electron Beam Physical Vapor Deposition), connu en soi, consiste à déposer sur une surface un matériau vaporisé par un faisceau d'électrons, en choisissant judicieusement les conditions de dépôt de façon que le matériau se dépose sous forme colonnaire. Ce procédé nécessite que la pièce soit placée dans une enceinte sous vide. Le procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), connu en soi, consiste à déposer sur une surface un matériau vaporisé sous forme d'un plasma, en choisissant judicieusement les conditions de dépôt de façon que le matériau se dépose sous forme colonnaire. Ce procédé nécessite que la pièce soit placée dans une enceinte sous vide. Le procédé de projection plasma sous pression atmosphérique (pas d'enceinte sous vide) (ou APS : Atmospheric Plasma Spray) colonnaire, connu en soi, est un procédé de dépôt d'un matériau sous forme d'un plasma, où le matériau peut se déposer sous forme colonnaire en choisissant judicieusement les conditions de dépôt. Ce procédé nécessite que la pièce soit placée dans une enceinte. Une fois la première couche 10 déposée sur la partie 94 de la surface, on place sur cette première couche 10 un capteur 60, comme illustré sur la figure 1C. Le capteur 60 est destiné à mesurer des grandeurs donnant des indications sur le comportement en service (ou lors d'un test) de la pièce 90. Puis on recouvre la totalité du capteur 60 par une deuxième couche 20 de céramique. Cette deuxième couche 20 permet de protéger le capteur 60 et de le maintenir sur la première couche 10. Cette situation est illustrée sur la figure 1D. Ainsi, la deuxième couche 20 s'étend sur une superficie de forme adaptée à celle du capteur 60 de façon à recouvrir tout le capteur 60 ainsi que son voisinage immédiat. Le capteur 60 est ainsi entièrement enrobé dans la céramique. La figure 3, qui est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1D, montre la première couche 10 sur la pièce 90, la deuxième couche 20, et le capteur 60 situé entre ces deux couches. Le capteur peut, selon sa nature, être un capteur 70 qui est muni de moyens de maintien. Typiquement cela est le cas lorsque le capteur est une jauge de contraintes. Ces moyens de maintien permettent de préserver la forme du capteur et/ou de le maintenir provisoirement au contact de la première couche 10. Le procédé pour la réalisation d'un dispositif de mesure utilisant un tel capteur est illustré sur les figures 2A à 2F. Par exemple lorsque le capteur 70 est une jauge de contraintes, sa morphologie (fil replié plusieurs fois) impose qu'il soit muni de moyens de maintien 75 destinés à conserver sa forme. Ces moyens de maintien 75 permettent en outre de maintenir la jauge sur une surface pendant le procédé de dépôt de céramique. Ces moyens de maintien 75 sont par exemple des rubans adhésifs. Ainsi, une fois la première couche 10 déposée sur la partie 94 de la surface (les figures 2A et 2B sont identiques aux figures 1A et 1B respectivement), on place sur cette première couche 10 un capteur 70 muni de moyens de maintien 75, comme illustré sur la figure 2C. On dépose ensuite sur et autour du capteur 70 une couche intermédiaire 50 de céramique. Cette couche intermédiaire 50 permet de maintenir le capteur 70 sur la première couche 10. Les moyens de maintien 75 sont partiellement ou totalement recouverts par la couche intermédiaire 50, mais restent amovibles. Cette étape est illustrée sur la figure 2D. On enlève ensuite les moyens de maintien 75. Cette étape est illustrée sur la figure 2E. On dépose enfin une deuxième couche 20 de céramique qui recouvre la totalité du capteur 70 et de la couche intermédiaire 50. Le capteur est ainsi entièrement enrobé dans la céramique. La figure 4, qui est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2F, montre la première couche 10 sur la pièce 90, la couche intermédiaire 50, la deuxième couche 20, et le capteur 70 situé entre la première couche 10 et la couche intermédiaire 50. La figure 5, qui est une vue en coupe selon la ligne V-V de la figure 2F, montre la première couche 10 sur la pièce 90, la deuxième couche 20, et le capteur 70 situé entre ces deux couches. Comme expliqué plus haut, la première couche 10 selon l'invention a une structure colonnaire. Idéalement, la deuxième couche 20 et la couche intermédiaire 50 sont également de structure colonnaire. Les colonnes de céramiques de ces deux couches se forment en général sur la base des colonnes de la première couche 10, ce qui assure une continuité structurelle qui favorise la cohésion des couches de céramique entre elles. En revanche, il peut être plus aisé de recouvrir le capteur 70 par un procédé plus simple d'utilisation que ceux utilisés pour réaliser des dépôts colonnaires, par exemple la projection flamme. Ainsi, la deuxième couche 20 et/ou la couche intermédiaire 50 peuvent avoir dans ce cas une structure qui ne soit pas entièrement colonnaire, c'est-à-dire une structure mixte lamellaire et colonnaire, voire entièrement lamellaire. La céramique composant la première couche 10, la deuxième couche 50, et la troisième couche 20 peut être de l'alumine ou de la mulite. Ces couches peuvent être en la même céramique, ou en des céramiques différentes. Dans un autre mode de réalisation, on dépose une sous-couche d'accroche 3 sur la pièce 90 avant le dépôt de la première couche 10 de céramique. La sous-couche d'accroche 3 est déposée sur la partie 94 de la surface 92 de la pièce. Le premier rôle de cette sous-couche d'accroche 3 est de favoriser l'adhérence de la première couche 10. Le matériau de cette sous-couche d'accroche 3 est par exemple un composé de formule MCrAIY, ou M est un métal, Cr du chrome, Al de l'aluminium, Y de l'yttrium. Il n'est pas préjudiciable que cette sous-couche d'accroche 3 soit lamellaire, puisque la différence entre les coefficients de dilatation de la pièce 90 et du matériau composant cette sous-couche 3 est faible. Il ne se produit donc pas de délaminage dans la sous-couche d'accroche. Avantageusement, le matériau composant cette sous-couche d'accroche 3 a un coefficient de dilatation intermédiaire entre celui de la pièce 90 et celui de la première couche 10. Ceci contribue à minimiser les contraintes dans la première couche 10. La figure 6 est une vue en coupe d'un tel dispositif de mesure selon l'invention montrant la position de la sous-couche d'accroche 3. Le procédé et le dispositif selon la présente invention trouvent notamment une application pour des mesures effectuées sur les pièces les plus chaudes et soumises aux efforts centrifuges les plus importants d'une turbomachine double-corps, à savoir les aubes de turbine haute pression et basse pression, et également sur les pièces des chambres de combustion. REVENDICATIONS1. Procédé pour la réalisation d'un dispositif de mesure sur une pièce (90), comportant les étapes suivantes : (a) le dépôt d'une première couche (10) d'une céramique électriquement isolante sur une surface (92) de ladite pièce, (b) le placement d'un capteur (60, 70) sur ladite première couche (10) de céramique, (c) le dépôt d'une deuxième couche (20) de céramique qui recouvre la totalité dudit capteur (60, 70), le procédé étant caractérisé en ce qu'à l'étape (a), ladite première couche de céramique (10) est déposée en structure colonnaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite céramique électriquement isolante est de l'alumine. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première couche (10) a une épaisseur supérieure à 10 pm. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'avant l'étape (a), on dépose sur la pièce une sous-couche d'accroche (3). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau composant ladite sous-couche d'accroche (3) a un coefficient de dilatation intermédiaire entre celui de ladite pièce (90) et celui de ladite première couche (10). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit capteur (70) est muni de moyens de maintien et en ce que, entre les étapes (b) et (c), on réalise les étapes suivantes : (b1) le dépôt d'une couche intermédiaire (50) de ladite céramique sur et autour dudit capteur (70), (b2) l'enlèvement desdits moyens de maintien (75). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche (10) de ladite céramique est déposée par un procédé choisi entre le dépôt physique en phase vapeur assisté par faisceau d'électrons, le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma, et la projection plasma atmosphérique colonnaire. 8. Dispositif de mesure apte à recouvrir une partie d'une pièce (90), notamment pour mesurer la déformation ou la température de cette pièce, caractérisé en ce qu'il comprend une première couche (10) de céramique à structure colonnaire recouvrant une surface de ladite pièce, un capteur (60, 70) placé sur ladite première couche (10), et une deuxième couche (20) de céramique recouvrant la totalité dudit capteur (60, 70). 9. Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite céramique est de l'alumine. 10. Dispositif de mesure selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'une couche intermédiaire (50) de ladite céramique, située entre ladite première couche (10) et ladite deuxième couche (20), recouvre ledit capteur (70). 11. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que l'une au moins des céramiques de ladite deuxième couche (20) et de ladite couche intermédiaire (50) ont une structure lamellaire, ou mixte lamellaire et colonnaire.