Brevet FR2968759A1 — publié le 20120615

Procédé non destructif d'estimation d'une température et d'une durée de surchauffe d'une pièce métallique de turbomachine La présente invention concerne un procédé non destructif d'estimation d'une température et d'une durée de surchauffe d'une pièce métallique, en particulier de turbomachine. Les valeurs estimées de la température atteinte lors d'une surchauffe d'une pièce et de la durée de cette surchauffe peuvent être par exemple utiles à un bureau d'études pour déterminer la durée de vie de la pièce ou pour confirmer des prévisions d'un modèle de calcul, ou à des opérateurs de maintenance pour déterminer si la pièce a été exposée à des températures anormales de fonctionnement. Dans la technique actuelle, il est connu d'estimer la température de surchauffe d'une pièce métallique en analysant l'évolution microstructurale ou de la dureté de cette pièce. Cependant, ces analyses nécessitent la coupe de la pièce et donc sa destruction, ce qui est relativement coûteux. Par ailleurs, il n'est évidemment pas possible de couper une pièce pour l'analyser, lorsque cette pièce doit être réutilisée. La technique actuelle ne permet donc pas d'évaluer la température de surchauffe d'une pièce sans la détruire. De plus, même lorsqu'une pièce peut être détruite en vue de son analyse, il est parfois impossible d'évaluer la température de surchauffe de la pièce si celle-ci n'a pas provoquée d'évolution microstructurale ou de la dureté de la pièce. C'est par exemple le cas où la température de surchauffe est insuffisante pour provoquer cette évolution ou est appliquée pendant un instant très court (surchauffe furtive) à la pièce. L'alliage INO 718 subit par exemple une évolution de sa dureté à partir de 700°C et une évolution de sa microstructure (diminution de la phase 8) à partir de 1050°C. Il existe donc un réel besoin d'un procédé non destructif d'estimation de la température de surchauffe d'une pièce, qui soit applicable sans que cette surchauffe ait provoqué une évolution microstructurale ou de la dureté de la pièce et que cette surchauffe soit furtive ou au contraire entretenue. La présente invention apporte une solution simple, efficace et économique à ce besoin. Elle propose à cet effet un procédé d'estimation d'une température et d'une durée de surchauffe d'une pièce métallique, en particulier de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - préparer plusieurs échantillons réalisés dans un matériau identique à celui de la pièce et les soumettre à un traitement thermique oxydant à des températures et pendant des durées prédéterminées, une série de ces échantillons étant soumise à une même température de traitement pendant des durées de traitement différentes et au moins une seconde série d'échantillons étant soumise à une autre même température de traitement pendant des durées de traitement différentes, de façon à provoquer au moins pour certains échantillons une coloration thermique superficielle du matériau par oxydation, - préparer un nuancier de coloration thermique du matériau en classant dans ce nuancier les échantillons en fonction de leur température et de leur durée de traitement, et - comparer la coloration thermique de la pièce provoquée par une surchauffe à celles des échantillons du nuancier, pour identifier au moins un échantillon ayant une coloration thermique similaire à celle de la pièce, et en déduire une température et de une durée de surchauffe. Le procédé selon l'invention a l'avantage de ne pas requérir la destruction de la pièce à analyser car il est basé sur une comparaison de la coloration thermique superficielle de la pièce aux colorations thermiques d'échantillons ayant subi un traitement thermique oxydant. La pièce analysée peut donc éventuellement être remise en service si la surchauffe n'a pas affecté sa santé matière. Les colorations thermiques superficielles de la pièce et des échantillons sont dues à l'apparition d'une couche d'oxydation en surface du matériau, du fait de l'exposition à une température élevée dans une atmosphère oxydante, qui est par exemple une atmosphère ambiante. La nature de cette couche d'oxydation dépend du matériau de la pièce et des échantillons. La couleur de cette couche est notamment fonction de son épaisseur et de sa nature, et varie en fonction de la température et de la durée de surchauffe à laquelle sont exposés la pièce et les échantillons. La surchauffe peut être localisée dans une zone de la pièce ou peut concerner la pièce dans son ensemble. Lorsqu'une pièce a été soumise à une surchauffe, plusieurs colorations thermiques différentes peuvent être visibles sur la pièce, ce qui signifie que différentes zones de la pièce ont subi des températures et/ou des durées de surchauffe différentes. La coloration thermique superficielle d'une pièce n'évolue en général pas lorsque la pièce est utilisée à une température normale après avoir subi une surchauffe. Le procédé selon l'invention permet donc d'estimer la température de surchauffe d'une pièce même lorsque cette surchauffe est suivie d'un fonctionnement normal. Le procédé selon l'invention comprend une première étape de préparation de plusieurs échantillons réalisés dans un matériau identique à celui de la pièce et de soumission de ces échantillons à un traitement thermique oxydant à des températures et pendant des durées prédéterminées. Plusieurs séries d'échantillons sont avantageusement utilisées, chaque série étant soumise à une température de traitement donnée (différente des températures de traitement des autres séries) et pendant des durées de traitement différentes. Les échantillons subissent ainsi des traitements thermiques isothermes différents, chaque échantillon ayant une température et/ou une durée de surchauffe différente(s) de celle(s) des autres échantillons. On obtient ainsi des échantillons avec des colorations thermiques superficielles qui sont plus ou moins prononcées. Les durées de traitement peuvent varier entre 1 minute et 100 heures, et sont par exemple de 1 min, 20min, 1h, 3h, 7h, 50h et 100h. Une durée de traitement thermique de 7h peut être appliquée en une seule fois de façon continue ou au contraire en plusieurs fois, par exemple par sept périodes de traitement thermique d'une heure. C'est en effet la durée cumulée des traitements thermiques ou des surchauffes à une température donnée qui est significative. Les températures de traitement peuvent varier entre 400 et 800°C, et sont par exemple de 400, 500, 600, 700 et 800°C. Le procédé selon l'invention comprend une autre étape de préparation d'un nuancier de coloration thermique du matériau par classement des échantillons en fonction de leur température et de leur durée de traitement. Ce nuancier peut comporter au moins vingt échantillons. Il constitue un abaque didactique permettant à une personne de déterminer les paramètres (température et durée) de surchauffe d'une pièce métallique à partir de sa coloration thermique superficielle. Le procédé selon l'invention comprend en outre des étapes de comparaison de la ou de chaque coloration thermique de la pièce provoquée par la surchauffe à celles des échantillons du nuancier, d'identification d'au moins un échantillon ayant une coloration thermique similaire à celle de la pièce, et d'estimation de la température et de la durée de cette surchauffe. Avantageusement, la ou chaque coloration thermique de la pièce est mesurée à l'aide d'un colorimètre (par exemple du type L*a*b*) et la valeur de la mesure est comparée à des valeurs correspondantes des colorations thermiques des échantillons pour déterminer quel(s) échantillon(s) a/ont une coloration thermique similaire à celle de la pièce. Les échantillons et la pièce sont par exemple réalisés dans un alliage métallique à base de nickel, de titane ou de fer. Avantageusement, les échantillons ont un état de surface similaire à celui de la pièce. Les échantillons peuvent donc subir des opérations de grenaillage ou de polissage avant leur traitement thermique, afin que leur état de surface soit le plus proche possible de celui de la pièce. La pièce en question fait par exemple partie d'un compresseur de turbomachine. La présente invention propose également un nuancier de coloration thermique d'un matériau métallique, comprenant un support portant plusieurs échantillons réalisés dans ce matériau et ayant chacun subi un traitement thermique à une température et pendant une durée prédéterminées, la durée et/ou la température du traitement thermique de chaque échantillon étant différente(s) de celle(s) des traitements thermiques des autres échantillons, les échantillons étant classés en fonction de leur température et de leur durée de traitement et ayant au moins pour certains des colorations thermiques superficielles différentes. Ce nuancier peut être recouvert d'un verre ou film plastique de protection pour éviter qu'un opérateur touche directement les échantillons, ce qui pourrait altérer leurs colorations. La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une pièce de turbomachine ayant subi une surchauffe localisée ; - la figure 2 est un organigramme des différentes étapes du procédé selon l'invention ; et - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un nuancier de coloration thermique préparé par le procédé selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une aube de rotor 10 d'un compresseur de turbomachine, cette aube 10 comportant un pied 12 relié par une plate-forme 14 à une pale 16 qui est destinée à s'étendre dans la veine d'écoulement des gaz du compresseur et à être exposée en fonctionnement à des températures de l'ordre de 300-400°C, voire plus, selon la position axiale de l'aube dans le compresseur. La pale 16 de l'aube comporte une zone 18 ayant subi une surchauffe. Cette surchauffe a provoqué une oxydation localisée du matériau de la pale (par exemple un alliage métallique à base de nickel), ce qui a entraîné la formation d'une couche d'oxyde dans cette zone et se traduit par une coloration thermique superficielle de la zone. Dans l'exemple représenté, la zone de surchauffe a une forme plus ou moins elliptique et comprend trois colorations différentes : une coloration plutôt grise (G) au centre de la zone, une coloration plutôt bleue (B) autour du centre de la zone et une coloration plutôt jaune (J) à la périphérie de la zone. Le procédé selon l'invention permet d'estimer la température et la durée de surchauffe de cette zone à partir de ses colorations thermiques superficielles. L'organigramme de la figure 2 illustre les différentes étapes du procédé selon l'invention. La première étape 20 du procédé consiste à préparer plusieurs échantillons réalisés dans un matériau identique à celui de l'aube, c'est-à- dire en alliage métallique à base de nickel dans l'exemple précité. Cinq séries d'échantillons sont par exemple préparées, chaque série comportant cinq échantillons, soit un total de vingt-cinq échantillons. Les échantillons peuvent avoir une forme quelconque et par exemple parallélépipédique ou cylindrique. Ces échantillons sont ensuite soumis à des traitements thermiques oxydants différents, le traitement thermique de chaque échantillon étant différent des traitements thermiques des autres échantillons par sa température (T) et/ou sa durée (t) de traitement (étape 22). Les traitements thermiques peuvent être réalisés au moyen d'un four dans lequel sont introduits les échantillons qui sont chacun équipés d'un thermocouple relié à des moyens appropriés pour mesurer leur température de traitement. Le four est alimenté en air ambiant. Les cinq séries d'échantillons sont soumises à des températures de traitement de 400, 500, 600, 700 et 800°C, respectivement, et les échantillons de chaque série sont soumis à des durées de traitement de 20min, l h, 3h, 7h et 50h, respectivement. Des colorations thermiques superficielles apparaissent sur au moins une partie des échantillons. Ces colorations sont plus ou moins prononcées et peuvent être plutôt jaune (J), ocre (0), marron (M), bleue (B), bleue clair (Bc), gris (G) ou gris foncé (Gf). Ces colorations dépendent notamment de la nature et de l'épaisseur de la couche d'oxyde qui se forme sur les échantillons lors du traitement thermique. L'étape suivante 24 du procédé selon l'invention consiste à préparer un nuancier de coloration thermique du matériau de l'aube et des échantillons, c'est-à-dire de l'alliage métallique à base de nickel. La figure 3 représente un nuancier comportant les vingt-cinq échantillons précités, c'est-à-dire les cinq séries de cinq échantillons. Les échantillons sont fixés sur un support pour former un tableau dans lequel chaque ligne correspond à une température de traitement et chaque colonne correspond à une durée de traitement. Les températures de traitement sont classées de haut en bas par ordre croissant et les durées de traitement sont classées de gauche à droite par ordre croissant. Les colorations thermiques superficielles des échantillons ont été schématiquement représentées par les lettres J, O, M, B, Bc, G et Gf qui désignent respectivement des nuances de jaune, ocre, marron, bleu, bleu clair, gris ou gris foncé. Lorsque deux échantillons présentent des colorations similaires, les niveaux de matité ou de brillance de ces échantillons peuvent être différents et donc permettre de distinguer les échantillons les uns des autres. Par ailleurs, des écaillages des surfaces des échantillons peuvent apparaître. Le nuancier révèle clairement que l'évolution de la coloration thermique superficielle d'une pièce est fonction à la fois du niveau de température atteint et du temps de maintien à cette température. Il est préférable de comparer les colorations thermiques d'une pièce, directement avec les échantillons d'un nuancier et non pas avec des clichés photographiques de ce nuancier car les couleurs des échantillons peuvent être différentes sur ces clichés. Ce nuancier permet d'une part, à partir de la coloration thermique superficielle d'une pièce, de déterminer la température de surchauffe de cette pièce lorsque l'on connaît la durée d'exposition de cette pièce à la surchauffe. Par exemple, dans le cas où une pièce a une coloration bleue (B) et qu'elle a été soumise à une surchauffe pendant 50h, le nuancier permet d'estimer la température de surchauffe de la pièce à 500°C (car l'échantillon 30 du nuancier de la figure 3, qui a une coloration bleue après un traitement thermique de 50h, a été traité à 500°C). Le nuancier permet en outre, à partir de la coloration thermique superficielle d'une pièce, de déterminer la durée de surchauffe de cette pièce lorsque l'on connaît la température d'exposition de cette pièce à la surchauffe. Par exemple, dans le cas où une pièce a une coloration bleue clair (Bc) et qu'elle a été soumise à une température de surchauffe de 700°C, le nuancier permet d'estimer une durée de surchauffe de la pièce inférieure ou égale à 1h (car les échantillons 32 du nuancier de la figure 3, qui ont une coloration bleue clair après un traitement thermique à 700°C, ont été traités pendant 20min et 1h, respectivement). Le nuancier permet également, à partir de la coloration thermique superficielle d'une pièce, de déterminer le couple de paramètres T, t (température/durée) de surchauffe d'une pièce. Par exemple, dans le cas où une pièce a une coloration marron (M), la température de surchauffe peut être estimée à 500°C et la durée de surchauffe peut être estimée à 3-7h (car les échantillons 34 du nuancier de la figure 3, qui ont une coloration marron, ont subi un traitement thermique à 500°C pendant 3h et 7h, respectivement). Une autre étape 26, 28 du procédé consiste à comparer les colorations J, B et G de l'aube 10 à celles des échantillons du nuancier afin d'identifier les échantillons ayant des colorations thermiques similaires à celles de l'aube, et en déduire les températures et les durées de surchauffe de chaque partie de la zone 18. Dans le cas présent, la partie centrale de la zone de surchauffe a une coloration grise (G) et on peut estimer sa température de surchauffe à 700-800°C. La température de surchauffe de la partie colorée en bleu (B) de la zone de surchauffe peut être estimée à 500-600°C et celle de la partie colorée en jaune (J) de la zone de surchauffe peut être estimée à 400°C. Pour déterminer avec plus de précision la température ainsi que la durée de surchauffe de l'aube, il est possible d'utiliser un colorimètre. Les valeurs mesurées par le colorimètre pour chaque coloration de la zone de surchauffe de l'aube sont comparées à des valeurs mesurées sur les différents échantillons afin de déterminer quel échantillon a une coloration la plus proche de la coloration considérée de la zone. Dans le cas ou la pièce à analyser a été soumise en fonctionnement à un environnement huilé (comme c'est le cas d'un roulement par exemple) et est recouverte d'un film d'huile, cette huile peut avoir une influence sur la coloration thermique superficielle de la pièce. Il est donc préférable dans ce cas de nettoyer la pièce, par exemple avec de la soude caustique, avant de la comparer aux échantillons du nuancier. Il est en outre préférable de déposer un film d'huile équivalent sur les échantillons avant leur traitement thermique, puis de les nettoyer (avec la soude caustique) avant de préparer le nuancier ou de comparer leur coloration avec celle de la pièce. REVENDICATIONS1. Procédé d'estimation d'une température et d'une durée de surchauffe d'une pièce métallique (10), en particulier de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes (20-28) consistant à : - préparer plusieurs échantillons réalisés dans un matériau identique à celui de la pièce et les soumettre à un traitement thermique oxydant à des températures et pendant des durées prédéterminées, une série de ces échantillons étant soumise à une même température de traitement pendant des durées de traitement différentes et au moins une seconde série d'échantillons étant soumise à une autre température de traitement pendant des durées de traitement différentes, de façon à provoquer au moins pour certains échantillons une coloration thermique superficielle du matériau par oxydation, - préparer un nuancier de coloration thermique du matériau en classant dans ce nuancier les échantillons en fonction de leur température et de leur durée de traitement, et - comparer la coloration thermique de la pièce provoquée par une surchauffe à celles des échantillons du nuancier, pour identifier au moins un échantillon ayant une coloration thermique similaire à celle de la pièce, et en déduire une température et une durée de cette surchauffe. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors du traitement thermique, les échantillons sont exposés à une atmosphère ambiante. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les échantillons et la pièce sont réalisés dans un alliage métallique à base de nickel, de titane ou de fer. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les durées de traitement varient entre 1 minute et 100 heures, et sont par exemple de 1 min, 20min, 1h, 3h, 7h, 50h et 100h. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les températures de traitement varient entre 400 et 800°C, et sont par exemple de 400, 500, 600, 700 et 800°C. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nuancier comporte au moins vingt échantillons. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échantillons ont un état de surface similaire à celui de la pièce. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce fait partie d'un compresseur de turbomachine. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou chaque coloration thermique de la pièce est mesurée à l'aide d'un colorimètre et la valeur de la mesure est comparée à des valeurs mesurées des colorations thermiques des échantillons. 10. Nuancier de coloration thermique d'un matériau métallique, comprenant un support portant des échantillons réalisés dans ce matériau et ayant chacun subi un traitement thermique à une température et pendant une durée prédéterminées, la durée et/ou la température du traitement thermique de chaque échantillon étant différente(s) de celle(s) des traitements thermiques des autres échantillons, les échantillons étant classés sur le support en fonction de leur température et de leur durée de traitement et ayant au moins pour certains des colorations thermiques superficielles différentes.