Brevet FR2979014A1 — publié le 20130215

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général du contrôle non destructif d'une couche de barrière thermique en céramique 5 transparente formée sur un substrat. Un domaine particulier d'application de l'invention est celui de tests d'adhérence pour des revêtements tels que ceux utilisés pour des pièces chaudes de turbine, telles que des aubes de distributeur ou de roue mobile de turbine haute pression. 10 Il est connu de munir des pièces en alliage métallique monocristallin d'une barrière thermique sous forme d'une couche de céramique. Une céramique couramment utilisée à cet effet est la zircone ZrO2 éventuellement stabilisée à l'yttrium. Une telle barrière thermique est formée typiquement par dépôt physique en phase vapeur ou PVD (pour 15 « Physical Vapor Deposition »), en particulier par PVD assisté par faisceau d'électrons ou EPBVD (pour « Electron Beam PVD »), donnant à la barrière thermique une structure colonnaire. Une sous-couche de liaison est interposée entre le substrat en alliage métallique monocristallin et la barrière thermique qui a une 20 fonction de résistance à l'oxydation et qui favorise l'adhérence de la barrière thermique afin de lui permettre de présenter une bonne résistance à l'écaillage. Une sous-couche de liaison connue est composée d'un aluminiure de nickel et/ou de cobalt modifié par un métal de type platine, 25 et pouvant comporter en outre, au voisinage de l'interface avec la barrière thermique, un métal promoteur de la formation d'un film d'alumine AI203 sur lequel la barrière thermique est ancrée. Pour des pièces en alliage métallique monocristallin munies d'Une barrière thermique formée par une couche d'oxyde céramique et, de 30 façon plus générale, pour des substrats revêtus d'une couche de eé.ramique, il est souhaitable de disposer d'un pi ocede pel mettant, d,_e façon non destructive, de déterminer l'apparition d'éventueiles déc. eslenr a niveau courte cl'o e,cle sur substrat. I i ( r i couche de céramique, rechercher une image représentative d'une zone de décollement éventuel entre la couche de céramique et le substrat, et analyser l'image éventuellement détectée. En l'absence de décollement de la couche de céramique, celle-ci, qui est transparente, laisse voir la couche sous-jacente de couleur grise. En revanche, lorsqu'un décollement de la couche de céramique a été produit suite à l'impulsion laser, une couche d'air est présente sous la partie décollée de la couche de céramique, ce qui se traduit par une tache claire. La superficie de celle-ci représente l'ampleur de la partie décollée. De manière générale, il est indispensable de pouvoir dimensionner avec précision les taches observées au niveau de l'interface entre la couche de revêtement en céramique et le substrat afin de pouvoir estimer la taille des décollements correspondant. Or, compte tenu du faible contraste existant entre la couleur de ces taches (généralement blanchâtres) et la couleur grise de la couche sous-jacente, ces taches sont le plus souvent difficilement observables et délimitables à l'ail nu ou par simple technique optique. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant d'améliorer l'observation des taches qui apparaissent lorsqu'un décollement se produit entre le substrat et le revêtement en céramique. Ce but est atteint grâce à un procédé de détermination de l'apparition de décohésions dans une couche de revêtement en céramique transparente formée sur un substrat, comprenant les étapes qui consistent à rechercher une image représentative d'une zone de décollement éventuel entre a couche de céramique et le substrat, et analyser l'image éventuellement détectée, l'Image étant visualisée optiquement à des longueurs d'onde particulières supérieures ou égales à 500nm P a été constaté par la Demanderesse que l'observation de l'image à des longueurs d'onde supérieures ou égales à 500nm permet _11mmer iit de' bdLases lonqueum d onde qui ne permettent bas de _un, im ni /35 des taches et zones grises correspondant à une absence de décollement. De la sorte, le procédé selon l'invention permet de détecter de façon fiable les taches et de pouvoir ultérieurement les dimensionner précisément pour en déduire la taille. Il est à noter que la visualisation de l'image aux longueurs d'onde particulières n'est pas un traitement d'image qui serait appliqué postérieurement à son acquisition mais bien un processus particulier d'acquisition de l'image qui élimine les longueurs d'onde s'apparentant à du bruit. Lorsque la céramique transparente consiste en de la zircone obtenue par un processus de dépôt par plasma, les longueurs d'onde particulières sont de préférence supérieures ou égales à 600nm. Il a en effet été constaté par la Demanderesse que, pour ce type de zircone, les longueurs d'onde supérieures ou égales à 600nm permettent de faire ressortir le mieux les différences entre zones avec taches et zones sans tache. Lorsque la céramique transparente consiste en de la zircone obtenue par un processus de dépôt par EPBVD, les longueurs d'onde particulières sont de préférence supérieures ou égales à 500nm. Il a également été constaté que, pour ce type de zircone à structure colonnaire, les longueurs d'onde supérieures ou égales à 500nm sont les plus à même de faire ressortir visuellement les taches. Différentes variantes de réalisation sont possibles. La couche de revêtement peut ainsi être soumise à un éclairage à spectre réduit aux longueurs d'onde particulières, l'image étant capturée par une caméra. Alternativement, la couche de revêtement peut être soumise à un éclairage blanc, l'image étant capturée par une caméra avec interposition d'un filtre aux- longueurs d'onde particulières interposé entre ladite caméra et le substrat. Alternativement également, la couche de revêtement peut être soumise à un éclairage blanc, l'image étant capturée par une caméra munie de captebH optiques réglés au= longueurs d'onde particulières. L)vWU H(1:t'ibis ti n tu L35 annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures - la figure 1 est une vue en coupe d'un substrat revêtu d'une barrière thermique avec revêtement céramique et sur lequel le procédé selon l'invention peut être avantageusement mis en oeuvre ; et - les figures 2A et 2B montrent des courbes de réflectance en fonction de la longueur d'onde d'une barrière thermique avec revêtement en zircone colonnaire et en zircone plasma. Description détaillée de l'invention Un domaine particulier d'application de l'invention est celui de la détermination de l'apparition d'éventuelles décohésions d'une barrière thermique comprenant une couche de céramique transparente formée sur un substrat en superalliage métallique monocristallin avec interposition d'une sous-couche de liaison. La figure 1 montre, en coupe, un exemple d'une telle barrière thermique formée par une couche 16 de zircone stabilisée à l'yttrium. La couche 16 a ici une structure colonnaire obtenue par un processus de dépôt par EBPVD. Dans un autre exemple d'application, la couche de zircone pourrait être obtenue par plasma (et ne présenterait donc pas de structure colonnaire). La couche 16 est avantageusement déposée sur une sous-couche de liaison 12 essentiellement en aluminiure de nickel modifié par du platine (Ni, Pt)AI formée sur un substrat 10 en superalliage monocristallin. Une couche ou film 14 d'alumine AI203 est formé à l'interface entre la sous-couche de liaison 12 et la couche de zircone 16 lors de l'élaboration de cette dernière. Une telle structure est connue et décrite par exemple dans le document US 5,843,585. Dans un exemple non limitatif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est prévu, pour provoquer l'apparition de décohésions de la couche de barrière thermique, d'appliquer une impulsion laser sur un substrat tel que par exemple celui de !a figure 1. L'application d'une IMpL.1!c,1laser duc::u rit: J(L',^ "1 Un ses effets obtenus son' coonnes loiei in ment35 revêtement en céramique afin d'en déterminer l'adhérence. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à de tels tests d'adhérence, mais concerne plus généralement l'observation d'éventuelles décohésions de la couche de revêtement en céramique, ces décohésions pouvant apparaître de différentes manières. En particulier, les décohésions peuvent apparaître « naturellement » au cours de la durée de vie de la barrière thermique, leur observation permettant alors de déterminer de la bonne tenue de celle-ci sur le substrat. Dans l'application d'un tel test d'adhérence, une impulsion laser brève de forte énergie est ainsi appliquée sur la surface du substrat 10 qui est opposée à celle munie du revêtement 16. L'énergie laser est absorbée pour générer un plasma dont l'expansion crée des ondes de compression. Ces ondes de compression donnent naissance à une onde de choc qui se propage dans le substrat puis est réfléchie par la surface libre du revêtement en une onde de détente. Le croisement entre cette onde de détente et une onde correspondant à la fin de l'impulsion laser crée des contraintes de traction qui peuvent provoquer une décohésion entre le revêtement et le substrat, plus précisément, dans le cas envisagé de la figure 1, une rupture localisée de la liaison entre la couche de zircone 16 et la sous-couche 12. Conformément à l'invention, il est prévu des moyens pour observer la surface de la couche de revêtement en zircone, cette observation permettant de déterminer la présence ou non de zones de décollement de la couche de revêtement. Notamment, en l'absence de décollement de la couche de zircone, celle-ci, qui est transparente, laisse voir la couche sous-jacente de couleur grise. En revanche, lorsqu'un décollement de la couche de zircone a été produit, une couche d'air est alors présente sous la partie décollée de la couche de zircone, ce qui se traduit par une tache claire, la superficie de celle-ci représentant l'ampleur de la partie décollée. Toujours selon l'invention, il est prévu de visualiser l'image représentative d'une zone de décollement éventuel entre la couche de nreieue et ri !uP tl" 3t de: 10HULIellr (1 )et['(1^il ,LiHLi et rieuriril35 supérieures ou égales à 500nm permet d'améliorer le contraste entre zones grises correspondant à l'absence de décollement de la couche de revêtement et zones claires correspondant à la présence de décollement. Les courbes représentées sur les figures 2A et 2B illustrent cette particularité remarquable d'une couche de revêtement en céramique transparente. La figure 2A montre notamment la réflectance (en °fo) - c'est-à-dire la proportion de lumière incidente réfléchie par la couche de revêtement - d'une couche de revêtement en zircone obtenue par dépôt par EPBVD (lui conférant une structure colonnaire) en fonction de la longueur d'onde (en nm), tandis que la figure 2B montre la réflectance pour une couche de revêtement en zircone obtenue par dépôt plasma. Sur la figure 2A, la courbe 100 montre la réflectance de la couche de zircone EPBVD en l'absence de décollement et la courbe 110 la réflectance de cette même couche en présence de décollement. Ces courbes montrent bien que le contraste entre zones à décollement et zones sans décollement est très faible voire inexistant en dessous des longueurs d'onde de 500nm, et devient de plus en plus prononcé au-dessus de ces longueurs d'onde particulières. Sur la figure 2B, la courbe 200 montre la réflectance de la couche de zircone plasma en l'absence de décollement et la courbe 210 la réflectance de cette même couche en présence de décollement. Ces courbes montrent l'apparition d'un contraste de plus en plus important aux grandes longueurs d'onde supérieures ou égales à 600nm. En se plaçant donc à des longueurs d'onde supérieures ou égales à 500nm, il est possible d'augmenter fortement le contraste entre zones à décollement de la couche de revêtement ou zones sans décollement. La visualisation des taches correspondant à des zones de décollement s'en trouve grandement facilité. Il en est de même de l'estimation des dimensions de ces taches qui sont caractéristiques de l'ampleur de [a partie décollée. L'observation de la surface de [ci couche de cétonique a des longueurs d'onde particulières mentionnées ci-dessous peut être reaHsee dilt n manie35 la couche de revêtement étant capturée par une caméra numérique classique. Dans un autre mode de mise en oeuvre, la couche de revêtement est soumise à un éclairage blanc (c'est-à-dire couvrant l'ensemble du spectre électromagnétique visible), l'image de la surface de la couche de revêtement étant capturée par une caméra numérique. De plus, un filtre ne laissant passer que les longueurs d'onde particulières (c'est-à-dire supérieures ou égales à 500nm) est interposé entre la caméra et le substrat afin de ne garder que les images aux longueurs d'onde voulues. Dans encore un autre mode de mise en oeuvre, la couche de revêtement est soumise à un éclairage blanc, l'image étant capturée par une caméra munie de capteurs optiques réglés aux longueurs d'onde particulières (c'est-à-dire supérieures ou égales à 600nm). L'exploitation des images de la surface de la couche de céramique aux longueurs d'onde particulières peut être réalisée de manière similaire à ce qui est décrit dans le document FR 2,926,137. En particulier, par un test destructif sur un échantillon ou une pièce, il est possible de déterminer un seuil d'adhérence d'un revêtement par mesure de la superficie d'une tache traduisant un décollement provoqué par impact de rayonnement laser. On peut aussi, après corrélation expérimentale entre une énergie laser appliquée et un seuil d'adhérence d'un revêtement formé par un procédé donné, effectuer des tests non destructifs par application sur des pièces d'énergie laser d'un niveau déterminé en fonction de celui correspondant au seuil d'adhérence. La corrélation expérimentale entre niveau d'énergie laser et seuil d'adhérence peut être effectuée par analyse de la taille d'une tache observée ou par balayage d'un ensemble de niveaux d'énergie différents et détermination de a lu-rte d'apparition de la tache claire,30 REVENDICATIONS1. Procédé de détermination de l'apparition de décohésions dans une couche de revêtement en céramique transparente (16) formée sur un 5 substrat (10), comprenant les étapes qui consistent à : rechercher une image représentative d'une zone de décollement éventuel entre la couche de céramique et le substrat, et - analyser l'image éventuellement détectée, l'image étant visualisée optiquement à des longueurs d'onde particulières supérieures 10 ou égales à 500nm. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la céramique transparente consiste en de la zircone obtenue par un processus de dépôt par plasma, les longueurs d'onde particulières étant supérieures ou égales 15 à 600nm. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la céramique transparente consiste en de la zircone obtenue par un processus de dépôt par EPBVD. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de revêtement est soumise à un éclairage à spectre réduit aux longueurs d'onde particulières, l'image étant capturée par une caméra. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de revêtement est soumise à un éclairage blanc, l'image étant capturée par une caméra avec interposition d'un filtre aux longueurs d'onde particulières interposé entre ladite caméra et le substrat, 30 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la couche de revètement est soumise à un éclairage blanc, Im cie etant capture,' par uni camera munie de i pte urs uptirau s reuleu 20 25