FR3030751B1 - Procede de controle de l'etat d'une barriere thermique par endoscopie - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle de l'état d'une barrière thermique par endoscopie comprenant les étapes suivantes : a) introduction d'une sonde endoscopique à l'intérieur d'un moteur, le moteur comprenant une pièce revêtue par une barrière thermique dont la couche externe comprend un oxyde de terre rare apte à produire une couleur autre que le noir et le blanc lors de son irradiation par un rayonnement lumineux de longueur d'onde prédéfinie, et b) irradiation de la couche externe de la barrière thermique par un rayonnement lumineux permettant à l'oxyde de terre rare de produire une couleur autre que le noir et le blanc et observation de la couche externe de la barrière thermique colorée par l'oxyde de terre rare à l'aide de la sonde endoscopique afin de contrôler l'état de la barrière thermique.

Description

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne notamment un procédé de contrôle de l'état d'une barrière thermique par endoscopie ainsi que des pièces aptes à être contrôlées par un tel procédé.
Les barrières thermiques sont utilisées pour la protection de pièces de turbines haute pression comme les aubes de turbine ou les anneaux de turbine et de pièces constitutives de chambres de combustion aéronautiques afin d'améliorer la performance des moteurs et la durée de vie des parties chaudes. Les barrières thermiques constituent un revêtement isolant thermique permettant d'éviter que la pièce sous-jacente soit soumise à une température trop élevée. Le document EP 1 085 109 Bl décrit des compositions de barrière thermique de faible conductivité thermique.
La qualité du dépôt des barrières thermiques joue un rôle essentiel dans leur comportement en service.
Ainsi, il peut être souhaitable de pouvoir facilement réaliser un contrôle de l'état des barrières thermiques afin de vérifier leur intégrité, notamment l'absence de fissuration et d'amorce de décollement,
Il est connu de réaliser une inspection de zones internes d'une machine par endoscopie, une telle technique étant par exemple décrite dans les documents FR 2 771 515 et FR 2 443 697. Cette technique consiste à introduire une sonde endoscopique à l'intérieur d'une machine afin d'observer une ou des pièces montées dans cette machine.
Les inventeurs ont cherché à contrôler l'état de barrières thermiques présentes sur la surface d'une pièce montée dans un moteur par endoscopie et ont constaté que cette méthode peut ne pas donner des résultats entièrement satisfaisants.
En effet, l'aspect blanc et le fort pouvoir réfléchissant des barrières thermiques actuelles rendent le contrôle par endoscopie difficile en raison de l'éblouissement de l'opérateur. Cet éblouissement ne permet pas à l'opérateur d'être absolument certain de l'absence de défauts des barrières thermiques lesquels peuvent affecter la durée de vie en opération des pièces.
Il existe donc un besoin pour disposer d'un procédé de contrôle fiable et relativement simple de barrières thermiques de pièces présentes à l'intérieur d'un moteur.
Il existe aussi un besoin pour disposer d'un procédé de contrôle de barrières thermiques de pièces présentes à l'intérieur d'un moteur qui soit non destructif et qui ne nécessite pas de désassembler le moteur.
Il existe encore un besoin pour disposer de nouvelles pièces, destinées à être montées dans un moteur, et aptes à être contrôlées par un tel procédé.
Objet et résumé de l'invention A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un procédé de contrôle de l'état d'une barrière thermique par endoscopie comprenant les étapes suivantes : a) introduction d'une sonde endoscopique à l'intérieur d'un moteur, le moteur comprenant une pièce revêtue par une barrière thermique dont la couche externe comprend un oxyde de terre rare apte à produire une couleur autre que le noir et le blanc lors de son irradiation par un rayonnement lumineux de longueur d'onde prédéfinie, et b) irradiation de la couche externe de la barrière thermique par un rayonnement lumineux permettant à l'oxyde de terre rare de produire une couleur autre que le noir et le blanc et observation de la couche externe de la barrière thermique colorée par l'oxyde de terre rare à l'aide de la sonde endoscopique afin de contrôler l'état de la barrière thermique.
La couleur de l'oxyde de terre rare peut, par exemple, être produite lors de l'irradiation de l'oxyde de terre rare par de la lumière visible ou autre, comme de la lumière UV par exemple. Ainsi, dans un exemple de réalisation, la couleur de l'oxyde de terre rare peut être révélée par irradiation par un rayonnement UV. La couleur de l'oxyde de terre rare peut, par exemple, être produite par fluorescence. L'invention permet du fait de la présence d'un ou plusieurs oxydes de terre rare colorés dans la couche externe de la barrière thermique de colorer celle-ci et de diminuer son pouvoir réfléchissant. Cela permet avantageusement de faciliter la détection des défauts de la barrière thermique d'une pièce présente à l'intérieur du moteur par endoscopie. Le choix d'intégrer dans la couche externe de la barrière thermique des oxydes de terre rare colorés est motivé d'une part car ces composés permettent du fait de leur coloration de mieux révéler les défauts de la barrière thermique par endoscopie et d'autre part car ces composés sont des constituants de barrière thermique efficaces et permettent de ne pas affecter, voire d'améliorer, les propriétés de la barrière thermique.
La pièce revêtue de la barrière thermique peut être formée d'un superalliage, par exemple à base de nickel, par exemple de type AMI. La publication « Définition d'un nouvel alliage métallique pour la réalisation d'étalons de masse secondaires » de Meury et al. mentionne des exemples de superalliages utilisables pour former la pièce.
Comme il va être détaillé plus bas, la barrière thermique peut être monocouche ou multicouche. Dans le cas d'une barrière thermique monocouche, celle-ci ne comporte que la couche externe et, dans le cas d'une barrière thermique multicouche, la couche externe correspond à la dernière couche de la barrière thermique située du côté opposé à la pièce sous-jacente.
Dans un exemple de réalisation, l'oxyde de terre rare peut être présent en tant que dopant dans la couche externe de la barrière thermique,
Par « oxyde de terre rare présent en tant que dopant dans la couche externe de la barrière thermique », il faut comprendre que l'oxyde de terre rare est présent dans la couche externe en une quantité suffisante pour que la coloration de la couche externe soit observable par le procédé d'endoscopie mis en œuvre tout en étant présent dans une quantité suffisamment faible afin de ne pas sensiblement dégrader les propriétés de la barrière thermique, voire de les améliorer.
En particulier, la couche externe peut comprendre en plus de l'oxyde de terre rare un composé de formule Re2Zr2O7 où Re désigne un élément terre rare, par exemple choisi parmi les lanthanides ayant un numéro atomique compris entre 57 et 70 (La -> Yb).
En variante, la barrière thermique peut être monocouche et comporter l'oxyde de terre rare présent en tant que dopant ainsi que de la zircone stabilisée par de l'oxyde d'yttrium (« YSZ »).
En variante encore, la couche externe de la barrière thermique peut être essentiellement formée par l'oxyde de terre rare.
Par « la couche externe de la barrière thermique est essentiellement formée par l'oxyde de terre rare », il faut comprendre que l'oxyde de terre rare est présent dans la couche externe en une teneur massique supérieure ou égale à 90%, voire à 95%, voire sensiblement égale à 100%.
Dans un exemple de réalisation, la barrière thermique peut en outre comprendre une sous-couche présente entre la pièce et la couche externe.
Dans un exemple de réalisation, l'oxyde de terre rare peut être choisi parmi : l'oxyde de praséodyme, l'oxyde de néodyme, l'oxyde d'erbium, l'oxyde de cérium, l'oxyde de samarium, l'oxyde d'holmium, l'oxyde d'europium, l'oxyde de thulium et l'oxyde de terbium.
La pièce peut être une aube de turbomachine montée dans le moteur. La pièce peut en variante être un anneau de turbine ou une pièce constitutive d'une chambre de combustion.
Le moteur peut par exemple être un moteur d'aéronef.
Le procédé de contrôle par endoscopie peut être effectué sur un moteur neuf ou sur un moteur ayant déjà été utilisé en vue par exemple d'évaluer la nécessité de procéder à une réparation.
La présente invention vise également une pièce destinée à être montée dans un moteur, la pièce étant revêtue par une barrière thermique dont la couche externe comprend un oxyde de terre rare apte à produire une couleur autre que le noir et le blanc lors de son irradiation par un rayonnement lumineux de longueur d'onde prédéfinie.
Dans une telle pièce, la barrière thermique, la couche externe et l'oxyde de terre rare peuvent être tels que décrits plus haut. La barrière thermique de ia pièce peut être destinée à être contrôlée par un procédé tel que décrit plus haut.
En particulier, l'oxyde de terre rare peut être présent en tant que dopant dans la couche externe, la couche externe pouvant par exemple comprendre en plus de l'oxyde de terre rare un composé de formule Re2Zr2O7 où Re désigne un élément terre rare, par exemple choisi parmi les lanthanides ayant un numéro atomique compris entre 57 et 70 (La -> Yb).Dans un exemple de réalisation, la barrière thermique peut, en outre, comprendre une sous-couche présente entre la pièce et la couche externe.
Dans un exemple de réalisation, la couche externe peut être une couche en matériau céramique.
La pièce peut, par exemple, être une aube de turbomachine.
La présente invention vise également un moteur aéronautique comprenant une pièce telle que décrite plus haut ainsi qu'un aéronef comprenant un tel moteur.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente différents exemples de barrières thermiques pouvant être contrôlées par mise en œuvre d'un procédé selon l'invention conformes à un premier mode de réalisation, et - la figure 2 représente différents exemples de barrières thermiques pouvant être contrôlées par mise en œuvre d'un procédé selon l'invention conformes à un deuxième mode de réalisation.
Description détaillée de modes de réalisation
La barrière thermique est formée d'une ou plusieurs couches céramiques déposées sur au moins une sous-couche de liaison ou directement déposées sur la pièce sans sous-couche de liaison. Ces couches céramiques permettent d'isoler thermiquement la pièce sous-jacente afin de la maintenir à des températures où ses performances mécaniques et sa durée de vie sont acceptables et éventuellement de conférer une résistance à l'érosion ou aux alumino-silicates de calcium-magnésium (« CMAS »).
Les exemples de barrières thermiques illustrés à la figure 1 correspondent chacun à un premier mode de réalisation dans lequel l'oxyde de terre rare est présent en tant que dopant dans la couche externe de la barrière thermique.
Dans l'exemple a) de la figure 1, la barrière thermique comprend une première couche constituant une sous-couche qui est à base de zircone yttriée (« YSZ ») et une couche externe à base d'un ou plusieurs zirconates de terres rares Re2Zr2O7 (Re = La -> Yb) dopée par un ou plusieurs oxydes de terres rares aptes à produire une couleur autre que le noir et le blanc (A2O3 ou BO2).
Dans l'exemple b) de la figure 1, la barrière thermique comporte une unique couche à base de zircone yttriée dopée par un ou plusieurs oxydes de terres rares aptes à produire une couleur autre que le noir et le blanc (A2O3 ou BO2).
Dans l'exemple c) de la figure 1, la barrière thermique comprend une première couche constituant une sous-couche qui est à base de zircone yttriée et une couche externe à base d'un composé différent d'un zirconate de terre rare et de YSZ par exemple de type pérovskite ou magnétoplombite, la couche externe étant dopée par un ou plusieurs oxydes de terres rares aptes à produire une couleur autre que le noir et le blanc (A2O3 ou BO2).
Dans l'exemple d) de la figure 1, la barrière thermique comporte une unique couche à base d'un composé différent d'un zirconate de terre rare et de YSZ par exemple de type pérovskite ou magnétoplombite, cette couche étant dopée par un ou plusieurs oxydes de terre rare aptes à produire une couleur autre que le noir et ie blanc (A2O3 ou BO2).
Les poudres destinées à former les exemples de barrières thermiques selon la figure 1 dopées par l'oxyde de terre rare apte à produire une couleur autre que le noir et le blanc peuvent être élaborées de différentes manières par exemple par voie de synthèse par réaction à l'état solide ou par des procédés dits de chimie douce (co-précipitation, voie hydrothermale, voie alcoolate, voie citrate...).
Ainsi, les poudres destinées à former une barrière thermique selon l'exemple a) de la figure 1 de type Re2-2yA2yZr2O7 (Re2Zr2O7+ A2O3) ou Re2Zr2-2yB2yO7 (Re2Zr2O7+ BO2) peuvent par exemple être synthétisées par chimie douce, par exemple par voie citrate. Un exemple d'un tel procédé de synthèse comprend les étapes décrites ci-dessous pour un composé de type Re2-2yA2yZr2O7 ou Re2Zr2-2yB2yO7 avec Re = La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm ou Yb et A = Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Ho, Er, ou Tm ou B = Ce, par exemple.
Dans un premier temps, les précurseurs d'oxydes sous forme de nitrates ou de chlorures ou une combinaison des deux sont mis en solution aqueuse. On peut par exemple ainsi former une solution aqueuse comprenant : Re(NO3)3.xH2O, A(NO3)3.xH2O ou B(NO3)3-xH2O et ZrO(NO3)2.xH2O ou ZrOCI2.xH2O. La solution aqueuse ainsi obtenue est ensuite soumise à une agitation. Ces précurseurs sont introduits en proportion stoechiométrique afin d'obtenir le matériau céramique avec la composition chimique souhaitée. La pureté des précurseurs utilisés est supérieure à 99,0 %. L'agent complexant utilisé est l'acide citrique lequel est ajouté à la solution aqueuse obtenue précédemment de manière à obtenir un rapport [acide citrique] / [cations métalliques] compris entre 1 et 3. Le mélange est ensuite soumis à une agitation. Une complexation par l'acide citrique des cations métalliques présents en solution est obtenue.
Le pH de la solution aqueuse est ensuite ajusté par l'addition d'ammoniaque en solution jusqu'à des valeurs de pH comprises entre 9 et 10.
Le solvant est ensuite évaporé en soumettant la solution à une température comprise entre 60°C et 80 °C jusqu'à la formation d'un gel. Une étape de chauffage est ensuite réalisée entre 200°C et 300 °C suivie d'un traitement thermique à une température supérieure ou égale à 1000°C sous air pendant une durée supérieure ou égale à 4 heures.
Après ce traitement thermique, la poudre de formule Re2-2yA2yZr2O7 ou Re2Zr2-2yB2yO7 est obtenue. La barrière thermique peut ensuite être obtenue à partir de cette poudre par exemple par mise en œuvre d'un procédé de projection plasma ou d'un procédé de dépôt physique sous vide en phase vapeur sous faisceau d'électrons, ces procédés étant connus en soi.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, une couche essentiellement formée par un ou plusieurs oxydes de terre rare aptes à produire une couleur autre que le noir et le blanc (A2O3 ou BO2) constitue la dernière couche de l'architecture de barrière thermique et est située du côté opposé à la pièce. Les notations utilisées dans les exemples e) à h) de la figure 2 sont les mêmes que celles décrites à la figure 1. Le nombre n présent à la figure 2 est un entier supérieur ou égal à 1. D'une manière générale, les barrières thermiques pouvant être contrôlées par mise en œuvre d'un procédé selon l'invention peuvent être formées par tout type de procédé connu de l'homme du métier, comme le procédé de dépôt physique en phase vapeur sous faisceau d'électrons ( « EB-PVD » : « Electron Beam Physical Vapor Déposition »), la projection plasma conventionnelle (« APS » : « Air Plasma Spraying »), la projection plasma de suspensions (« SPS » : « Suspension Plasma Spraying »), la projection plasma de précurseurs liquides (« SPPS » : « Solution Precursor Plasma Spraying »), les procédés de type trempage/retrait (« Dip coating »), les procédés de dépôts chimiques en phase vapeur (« CVD » : « Chemical Vapor Déposition ») ou les procédés de dépôt de couches minces atomiques (« ALD » : « Atomic Layer Déposition »).
Il est donné à titre d'exemple dans le tableau 1 ci-dessous différents exemples d'oxydes de terre rare aptes à produire une couleur autre que le noir et le blanc utilisables dans le cadre de l'invention ainsi que leur couleur.
Tableau 1
Les dispositifs d'endoscopie tels que décrits dans FR 2 443 697 et FR 2 771 515 peuvent être mis en œuvre afin de réaliser le procédé de contrôle par endoscopie selon l'invention. Dans un exemple de réalisation, le dispositif d'endoscopie peut comporter une première et une deuxième sources de lumière, la première source de lumière étant une source de lumière visible et la deuxième source de lumière étant une source de lumière autre que visible, par exemple UV. Une telle deuxième source de
lumière peut, le cas échéant, permettre de révéler la coloration de l'oxyde de terre rare présent dans la couche externe de la barrière thermique. L'expression « comportant/contenant/comprenant un(e) » doit se comprendre comme « comportant/contenant/comprenant au moins un(e) ». L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à ... » doit se comprendre comme incluant les bornes.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de contrôle de l'état d'une barrière thermique par endoscopie comprenant les étapes suivantes : a) introduction d'une sonde endoscopique à l'intérieur d'un moteur, le moteur comprenant une pièce revêtue par une barrière thermique dont la couche externe comprend un oxyde de terre rare apte à produire une couleur autre que le noir et le blanc lors de son irradiation par un rayonnement lumineux de longueur d'onde prédéfinie, ladite couche externe étant essentiellement formée par l'oxyde de terre rare ou l'oxyde de terre rare étant présent en tant que dopant dans la couche externe et, lorsque l'oxyde de terre rare est présent en tant que dopant, l'oxyde de terre rare est choisi parmi : l'oxyde de praséodyme, l'oxyde de néodyme, l'oxyde d'erbium, l'oxyde de cérium, l'oxyde de samarium, l'oxyde d'holmium, l'oxyde de thulium et l'oxyde de terbium, et b) irradiation de la couche externe de la barrière thermique par un rayonnement lumineux permettant à l'oxyde de terre rare de produire une couleur autre que le noir et le blanc et observation de la couche externe de la barrière thermique colorée par l'oxyde de terre rare à l'aide de la sonde endoscopique afin de contrôler l'état de la barrière thermique.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde de terre rare est présent en tant que dopant dans la couche externe et en ce que la couche externe comprend en plus de l'oxyde de terre rare un composé de formule Re2Zr2O7 où Re désigne un élément terre rare.
  3. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la barrière thermique comprend en outre une sous-couche présente entre la pièce et la couche externe.
  4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce est une aube de turbomachine montée dans le moteur.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur est un moteur d'aéronef.
  6. 6. Pièce destinée à être montée dans un moteur, la pièce étant revêtue par une barrière thermique dont la couche externe comprend un oxyde de terre rare apte à produire une couleur autre que le noir et le blanc lors de son irradiation par un rayonnement lumineux de longueur d'onde prédéfinie, ladite couche externe étant essentiellement formée par l'oxyde de terre rare ou l'oxyde de terre rare étant présent en tant que dopant dans la couche externe et, lorsque l'oxyde de terre rare est présent en tant que dopant, l'oxyde de terre rare est choisi parmi : l'oxyde de praséodyme, l'oxyde de néodyme, l'oxyde d'erbium, l'oxyde de cérium, l'oxyde de samarium, l'oxyde d'holmium, l'oxyde de thulium et l'oxyde de terbium.
  7. 7. Pièce selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle constitue une aube de turbomachine.
  8. 8. Moteur aéronautique comprenant une pièce selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7.
  9. 9. Aéronef comprenant un moteur aéronautique selon la revendication 8.
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