FR2573864A1 - Mesure d'epaisseur de revetement - Google Patents

Abstract

MESURE D'EPAISSEUR DE REVETEMENT SUR UN COMPOSANT DE FORME COMPLEXE. IL CONSISTE A:A.TRANSFERER LA CHALEUR D'UNE PARTIE DU REVETEMENT VERS UNE SOURCE EXTERIEURE;B.MESURER LA DISTRIBUTION D'INTENSITES DE TEMPERATURE RELATIVE D'UNE PARTIE DU REVETEMENT AUTRE QUE LA PARTIE DE A; ETC.COMPARER LA DISTRIBUTION D'INTENSITES DE TEMPERATURE RELATIVE MESUREE EN B AVEC UN ENSEMBLE D'INTENSITES DE REFERENCE ET CHOISIR UNE DISTRIBUTION SIMILAIRE A PARTIR DE CET ENSEMBLE. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.

Description

AL. La présente invention concerne la mesure de l'épaisseur d'un

revêtement et, plus particulièrement, la

mesure de l'épaisseur d'un revêtement formant barrière ther-

mique sur une aube de moteur à turbine à gaz.

S Les composants métalliques, tels que des aubes de

turbine dans un moteur à turbine à gaz, portent classique-

ment un revêtement formant barrière thermique (TBC) qui pro-

tège ces composants des gaz chauds présents dans le moteur.

Le TBC est mince, de l'ordre de 0,127 à 0,381 mm. C'est un matériau analogue à de la céramique ayant un coefficient de

transfert de chaleur faible et un point de fusion élevé.

Le TBC protège le métal des composants des tempé-

ratures élevées en empêchant le transfert de chaleur des gaz

chauds vers le métal. C'est-à-dire, le métal dissipe la cha-

leur rapidement tandis que le TBC conduit la chaleur dans le

métal lentement. Ainsi, la température du métal demeure in-

férieure à celle du TBC. Par conséquent, les gaz peuvent

être plus chauds permettant d'utiliser un cycle thermodyna-

mique plus efficace dans le moteur.

Il est souhaitable de-mesurer l'épaisseur du TBC pendant le processus de fabrication. Cependant, les méthodes actuellement disponibles de mesure d'épaisseur présentent des difficultés. On peut citer, par exemple, quatre types de

difficultés. Premièrement, la mesure directe, comme par cou-

pe dans le composant pour exposer une section droite du TBC -2- et ensuite mesurer l'épaisseur de ce dernier, endommage le

composant. Deuxièmement, la mesure de l'épaisseur par ultra-

sons n'est pas réalisable parce que de nombreux TBC sont poreux et dispersent l'énergie ultrasonique. Troisièmement, une tomograhie par rayons-X assistée par ordinateur ne four- nit pas une précision suffisante pour mesurer les épaisseurs souhaitées de TBC. Quatrièmement, la mesure de l'épaisseur par courants de Foucault s'est révélée être précise mais on

a rencontré des difficultés techniques. Par exemple, la son-

de à courant de Foucault, classiquement (un appareil sembla-

ble à un crayon) doit être maintenue à une pression constan-

te et en un alignement connu constant avec la surface du TBC. Maintenir un tel alignement pour des contours complexes tels que les aubes de turbine nécessite un équipement très élaboré et un opérateur très qualifié pour interpréter les données. La présente invention a pour objet de réaliser une

mesure nouvelle et perfectionnée de l'épaisseur d'un revête-

ment formant barrière thermique (TBC).

La présente invention a en outre pour objet de

réaliser une mesure perfectionnée du revêtement formant bar-

rière thermique (TBC) appliqué au composant d'un moteur à

turbine à gaz.

Selon un mode de réalisation de la présente inven-

tion, on chauffe une région discrète du revêtement formant

barrière thermique (TBC) en appliquant une quantité détermi-

née d'énergie laser sur la région pendant un certain inter-

valle de temps. Ensuite, on mesure l'énergie thermique ra-

diante d'une région extérieure à la région de frappe du la-

ser à un intervalle de temps prédéterminé suivant la fin de

l'impulsion laser. L'intensité de cette énergie radiante me-

surée est alors comparée avec les intensités de rayonnement qui ont été obtenus expérimentalement à partir de spécimens

d'épaisseur connue et on déduit l'épaisseur de cette compa-

raison.

-3-

La description qui va suivre se réfère aux figures

annexées qui représentent respectivement; Figure 1, un mode de réalisation de la présente invention, Figure 2, un revêtement sur un substrat, Figure 3, trois régions définies sur la matrice d'éléments d'image créée par la caméra infrarouge 10 de la

figure 1.

Figure 4, un histogramme des données utilisées par la présente invention, Figures B1 à B4, les droites des moindres carrés

sont obtenues en utilisant des données provenant de l'histo-

gramme de la figure 4.

La figure 1 représente un mode de réalisation de la présente invention montrant un laser 3 tel qu'un laser Néodyme: Yag modèle nO 512Q, disponible chez Control Laser Corp., situé à Orlando, Floride, EUA. Le faisceau laser 6 frappe une cible 9, telle qu'un composant de moteur d'avion comportant un revêtement formant barrière thermique (TBC), et chauffe la cible. On peut déterminer l'épaisseur du TBC à partir de la répartition de l'énergie thermique radiante de

la cible à un intervalle de temps déterminé suivant l'impul-

sion laser. La répartition de l'intensité radiante peut être

mesurée par un radiomètre de balayage à infrarouge 10 (appe-

lé aussi caméra IR). Ceci sera représenté ultérieurement

lors de la discussion d'une expérience réalisée par la de-

manderesse. On a obtenu six cibles identiques à l'exception de l'épaisseur de revêtement formant barrière thermique. Chaque

cible comportait un substrat 12 en Hastelloy comme représen-

té figure 2 qui mesurait approximativement 51 x 51 mm et avait une épaisseur de 1,54 mm (l'épaisseur est la dimension

). Hastelloy est une marque commerciale de la Cabot Corpo-

ration, Kokomo, Indiana. Les épaisseurs de TBC (dimension 18) pour les six cibles étaient respectivement: 0,076 mm, - 4 - 0,127 mm, 0,178 mm, 0, 254 mm, 0,343 mm et 0,406mm. Le TBC était un revêtement céramique d'oxyde de zirconium (ZrO2) stabilisé par 8% d'oxyde d'yttrium (Y203). On a appliqué le TBC en utilisant une déposition par vapeur de plasma sous vide ainsi qu'il est bien connu dans la technique des revê- tements. Chaque cible a été chauffée par une impulsion en provenance du laser 3 de la figure 1. Le faisceau laser 6

n'était pas focalisé par des lentilles mais frappait la ci-

ble avec le même diamètre que celui qu'il avait en quittant la cavité laser (cavité non spécifiquement représentée). On

a utilisé pour chaque cible trois durées d'impulsions diffé-

rentes allant de 5/60ème de seconde à 200/60ème de seconde.

On a mesuré la répartition de l'énergie radiante du TBC seu-

lement après un certain délai suivant la fin de l'impulsion laser. Les délais étaient compris entre 20/60ème et

/60ème de seconde.

On a mesuré la répartition de l'intensité radiante en utilisant la caméra IR. La caméra IR fournit une image contenant des informations sur l'intensité radiante. Par

exemple, comme représenté figure 3, une matrice 6x6 d'élé-

ments d'image (c'est-à-dire de pixels) est représentée. Le

pixel 20 est l'un d'entre ces pixels. La taille du point la-

ser est représenté dans l'image sous la forme du cercle 22 et a approximativement 0,406 mm de diamètre. La caméra IR engendre un signal électrique pour chaque pixel d'un certain niveau d'intensité indicatif de la température de la région

de l'objet examiné par la caméra qui correspond au pixel.

Dans ce cas, l'objet examiné est la cible en Hastelloy revê-

tu. Ainsi, un ensemble de signaux d'intensité de Pixel est

créé et pour la matrice 6x6 représentée figure 3) on engen-

drera 36 signaux.

La matrice représentée figure 3- a été divisée en

cinq régions, comme délimité par les trois cercles concen-

triques 25, 27 et 29 de diamètre respectif égal à: 9,14 mm, - 5 - 6,1 mm, 4,57 mm. La première région représente la surface totale contenue à l'intérieur d'un cercle le plus extérieur 25. La région deux est la surface annulaire comprise entre

les cercles 25 et 27. La région trois est la surface circu-

laire contenue à l'intérieur du cercle du milieu -27. La ré- gion quatre est la surface annulaire contenue entre les deux cercles 27 et 29. La région cinq est la surface circulaire

la plus faible et elle se trouve à l'intérieur du cercle 29.

On a mesuré les répartitions d'énergie thermique radiante de trois de ces régions, par exemple les régions deux, quatre et cinq. Par conséquent, étant donné que, (1) on a utilisé

six cycles, (2) trois durées d'impulsions laser ont été ap-

pliquées à chaque cible, (3) trois délais différents ont été

utilisés pour chaque émission et (4) trois surfaces diffé-

rentes de la cible ont été mesurées quant à l'énergie ther-

mique radiante, on a obtenu un total de 162 mesures (6 x 3 x

3 x 3).

On a doublé ce total de 162 en répétant l'expé-

rience avec deux modifications. La première modification a été de doubler la gamme dynamique du radiomètre. La gamme

dynamique de radiomètre se réfère à la gamme d'énergie ther-

mique radiante à laquelle la caméra IR est sensible. Par exemple, dans le premier ensemble de 16Z mesures, la gamme

était de 10 centrée sur une température d'environ 70 .

Ainsi, le signal de pixel le plus petit indiquait une tempé-

rature de 60 et le signal de pixel le plus grand indiquait

une température de 80 . Dans le deuxième ensemble, on a dou-

blé la gamme jusqu'à 20 . (Bien entendu, ces gammes de 10 et

s'appliquent seulement aux mesures d'un corps noir.

L'émissivité d'un corps non noir peut agrandir la gamme

ainsi qu'il est bien connu de la technique. Néanmoins, indé-

pendamment de ces modifications de gamme, les intensités re-

latives de pixel donnent encore une bonne mesure des tempé-

ratures relatives, même si les températures absolues ne sont

pas déterminables).

-6-

La seconde modification concerne les délais exis-

tant entre la fin de l'impulsion et la mesure de l'énergie thermique radiante. Dans le second ensemble de mesures, ces délais sont légèrement différents et à l'intérieur d'une gamme légèrement différentes c'est-àdire entre 1/60ème de

seconde et 180/60ème de seconde. Ainsi, on a effectué un to-

tal de 324 mesures de température. Le tableau I organise les procédures décrites. Chaque ligne du tableau représente six

mesures, une pour chaque épaisseur de TBC. Les colonnes in-

titulées "Figure" se réfèrent aux représentations graphiques des données obtenues. Quatre de ces représentations ont été

discutées ultérieurement.

TABLEAU 1

Expérience 1 Exp6rience 2 Ieu"N I1ulsion- Délai rzoeu Imp.lsion Délai

(1/60 sec. _(1/60 sec. (1/usic.) _ I60 sec.

- 1 5s 2 20 m- 4 se 2 1l a- 2 5 2 se a- S 50 2 3 - 3 SI 2 n1 a1- SI 50 _7 50 4 20 3-1- se 4 1i l_à 5 4 SI *-il 5s 4 30 a- el 4 ls -12l SI 4 5s

D-13 5 2 -1 5 1

1-14 SI 5 S0 -17 Se S 3

{-15 SI S 1 B-11 50 5

*-19 100 2 21 B-22 lU 2 2 --

r B1-20 1le 2 58 B-23 1a 2 se 2 J15 1-21 1lU-1 2 8 3-24 8li 2 B-2S les 4 28 m-28 lu 4 28 D-26 1le 4 51 B-29 1l 4 se B-27 10. 4 1l 1-30 1u 4 9 B-31 lui 5 2l B-34 100 5 28 1-32 1le 5 Se 1-35 les S se

3331 5 18 E 11 5 51

B-33 ioI S leu 1-36 Iles

3-37 2:0 2 30 1-41 2 2 3

B-38 20f.2 30 *-41 200 2 lU 1-39 20e 2 21 1-42 20 2 1u B-43 2l 4 3l *-46 2 l 4 3 1-44 2li 4 88 1-47 200 4 lu 4e 4 1ll i-45 208 4 201 B-48 20i1

B-49 208 5 30 B-S2 2 S 38

D -5 20U -s3 2 e- S 1 s-51 28c S 2U0 -nS surface de données -7- Comme indiqué ci-dessus, chaque mesure contient en

fait un ensemble de valeurs d'intensité de pixel. On a trai-

té chaque ensemble de la manière suivante. Premièrement on a engendré un histogramme. L'histogramme est un tracé repré- sentant le nombre de fois o une valeur de pixel donnée se

produit à l'intérieur d'une région circulaire. On a repré-

senté figure 4 un échantillon d'histogramme. Cette figure indique que 13 pixels (point 33) ont une intensité de 84, huit pixels (point 35) ont une intensité de 76, etc. L'image IR a une résolution de 128 x 128, et ainsi la matrice réelle

utilisée contient 16384 pixels bien que la figure 3 ne re-

présente qu'une matrice 6 x 6 pour simplifier. Cependant, étant donné que les trois régions deux, quatre et cinq de la

figure 3 sont en fait des sous-ensembles de la matrice tota-

le 128x128, le nombre total d'occurrences dans l'histogramme

de la figure 4 sera inférieur au nombre total de pixels con-

tenus dans l'image. Par exemple, on a trouvé que la région deux contenait 490 pixels, la région quatre contenait 331

pixels et la région cinq 103 pixels. On a créé un histogram-

me pour chacune des 324 surfaces circulaires.

Comme chaque histogramme représente un ensemble

complexe de données d'énergie thermique radiante, on a choi-

si de simplifier ces données. On a simplifié les données en prenant la moyenne statistique (moyenne) des données pour chaque histogramme. On a calculé la moyenne selon l'équation suivante: moyenne= (nbre d'occurrences)(valeur d'intensité de l'occurence)

nombre total d'occurrences.

Ainsi on a obtenu 324 moyennes statistiques.

Pour chaque impulsion laser pour une région donnée et un retard de données déterminé (c'est-à-dire pour chaque ligne du tableau 1,), la moyenne statistique a été tracée en fonction des six épaisseurs de revêtement des six cibles en - 8 - Hastelloy. Ceci est représenté dans les figures B1-B4 qui

correspondent aux lignes du tableau 1 portant la même réfé-

rence. Pour chaque figure, comme par exemple la figure B1) six moyennes statistiques ont été tracées comme représenté par les points 42 A-F de la figure. On a ensuite calculé la droite des moindres carrés (ligne droite 45) concernant les données de chaque figure. De la même manière pour les figures

B2 à B4 on a calculé les droites des moindres carrés. On dé-

crira maintenant différents aspects importants de ces figures.

Ces figures représentent les données d'intensité moyenne (ou température relative) obtenues dans la surface 2

(entre les cercles 25 et 27) de la figure 3 qui est une sur-

face annulaire entourant la zone d'impact du laser. Le lec-

teur notera que la température relative moyenne (sur l'axe

vertical) de la figure B1 est de manière générale une fonc-

tion inverse de l'épaisseur du revêtement. Les figures B2 et

B3 représentent une relation générale inverse similaire.

Cependant pour la surface annulaire 2, les températures moyennes relatives sont une fonction généralement positive de

l'épaisseur du revêtement. Elles sont considérées comme posi-

tives parce que la droite des moindres carrés 47 a une pente positive. On pense que la pente positive de la figure B-4 est

due à des effets aléatoires, parce que la différence d'inten-

sité de pixel entre la valeur la plus faible au point 48 et

la valeur la plus élevée au point 50 est inférieure à 4 uni-

tés. Ceci s'oppose à la différence entre les points 42A figu-

re B1 et 42E qui est d'environ 10 unités.

Lors de la mesure de l'épaisseur d'un revêtement

formant barrière thermique, on utilisera la présente inven-

tion de la manière suivante. On engendrera des tracés tels ceux des figures B1 à B3 à partir d'aubes de référence ayant une épaisseur de TBC connue. C'est-à-dire qu'une impulsion laser de durée connue et de niveau d'énergie commandée (connue) sera émise sur le revêtement TBC d'épaisseur connue et après un délai déterminé, on obtiendra les intensités des pixels dans la région annulaire 2 de la figure 3. Un nombre représentatif d'un histogramme similaire à celui de la figure 3 en sera alors dérivé. On a utilisé comme nombre la moyenne

S statistique. La même émission laser avec le même temps de dé-

lai sera répété pour un TBC d'épaisseur différente. De préfé-

rence, on mesurera plusieurs épaisseurs différentes.

Après avoir engendré un tracé de référence de don-

nées analogue à celui de la figure B1, y compris la droite

des moindres carrés 45, une aube échantillon ayant un revête-

ment à mesurer est examinée en utilisant la même impulsion

laser, la même durée, le même délai et la même région annu-

laire 2 pour obtenir un nombre représentatif. Ce nombre re-

présentatif (44 dans cet exemple) est ensuite inséré sous la forme d'une ligne horizontale dans la figure comme représenté dans la figure 55 et le point d'intersection avec la droite des moindres carrés 45, c'est-à-dire le point 57, indique

l'épaisseur, dans ce cas environ 0,14 mm.

Un autre aspect significatif de la présente inven-

tion concerne le fait que le point 22 de la figure 3 de

l'impact de laser n'est pas lui-même mesuré en tant qu'inten-

sité de pixel. Au lieu de cela, c'est -la région annulaire 2

qui l'entoure qui est mesurée.

L'obtention d'un nombre considéré comme représenta-

tif des données de l'histogramme de la figure 4 a été étudié.

Le nombre réel obtenu était la moyenne statistique. Cepen-

dant, le nombre représentatif n'est pas nécessairement ia

moyenne statistique ce peut être un autre nombre représenta-

tif tel que la médiane statistique. En outre le nombre repré-

sentatif a été pris comme une simplification. On remarquera que le but est de comparer les histogrammes et les profils d'intensité créés pour les aubes de référence ayant une

épaisseur de TBC connue (six cibles dans le cas de ladite ex-

périence) avec des données similaires produites par l'aube échantillon d'épaisseur de TBC inconnue. C'est-à-dire, qu'on

- 10 -

compare un ensemble échantillon de données d'intensité de pixel est comparée avec plusieurs ensembles de données d'intensité de référence pour rechercher de quel ensemble de données de référence l'ensemble échantillon se rapproche le plus étroitement. Il existe des techniques statistiques et de calcul par ordinateur bien connues pour obtenir cela. Par conséquent, l'invention n'est pas limitée à la comparaison de la moyenne statistique des données échantillon avec les

moyennes statistiques respectives des données de référence.

L'expérience a été exécutée sur ce que l'on pense être des revêtements formant barrière thermique très purs et

homogènes sur six cibles. Cependant, comme la corrélation in-

verse représentée figures B1 à B3 est un résultat du phénomè-

ne de transfert de chaleur ayant lieu dans le système Hastelloy-TBC, les épaisseurs mesurées sur l'aube échantillon en dérivant le point 57 de la figure B1 comme décrit

ci-dessus concerne bien l'épaisseur de TBC de l'aube échan-

tillon mais, plus particulièrement, est une mesure directe de

l'épaisseur de la barrière thermique effective ou équivalente.

Par exemple, le revêtement formant barrière thermi-

que de l'aube échantillon peut avoir été contaminé par des

particules de métal qui diminueraient les propriétés d'isola-

tion de ce revêtement. Cependant, le revêtement contaminé peut être appliqué de manière épaisse. Ainsi, le revêtement

plus épais compensera une diminution de l'isolation. L'utili-

sation de la technique de mesure de l'invention n'aura pas pour résultat de représenter l'épaisseur réelle du TBC mais indiquera l'épaisseur équivalente de TBC si l'on appliquait avec le même degré de pureté que dans le cas des puretés des

aubes de référence. (On suppose que toutes les aubes de réfé-

rence ont un TBC de même composition et de même pureté).

- il -

Claims (2)

REVENDICATIONS

1. Méthode pour vérifier l'épaisseur de barrière thermique équivalente d'un revêtement caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) transférer la chaleur d'une partie du revête- ment vers une source extérieure;

(b) mesurer la distribution d'intensités de tem-

pérature relative d'une partie du revêtement autre que la partie de (a); et

(c) comparer la distribution d'intensités de tem-

pérature relative mesurée en (b) avec un en-

semble d'intensités de référence et choisir une distribution similaire à partir de cet ensemble.

2. Méthode de mesure de l'épaisseur d'un revête-

ment, caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) émettre avec un laser vers une région d'impact pendant une durée prédéterminée; (b) suivant un intervalle de temps prédéterminé après l'émission laser, mesurer l'intensité

d'une série de régions du revêtement conte-

nues à l'intérieur d'une zone annulaire en-

tourant la région d'impact du laser; (c) calculer un nombre qui soit représentatif de la série des intensités mesurées; et

(d) comparer le nombre représentatif avec un en-

semble de nombres représentatifs et choisir

un nombre similaire à partir de cet ensemble.