La présente invention concerne un procédé pour relever la température atteinte par une pièce, notamment de turbomachine.

L'invention répond en particulier à la nécessité de pouvoir détecter les températures auxquelles ont été soumises différentes pièces d'une turbomachine, par exemple en fonctionnement ou lors d'essais.

En fonctionnement, les pièces de la turbomachine sont soumises à des contraintes mécaniques et thermiques très importantes dues notamment à la vitesse de rotation importante de la turbomachine (pouvant atteindre 18 000 tours par minute), à l'usure ou à l'érosion liée aux flux de gaz (variations de température importantes, écoulements très turbulents et rapides, voire soniques au sommet des aubes, pièces impactées par l'écoulement des gaz), à la température élevée des gaz et à l'environnement pollué de la turbomachine (gaz de combustion, suies, particules solides, fuites d'huile, fuite de kérosène).

De plus, les caractéristiques des pièces sont très différentes, que ce soit en taille (surfaces de quelques cm ² à plusieurs m ² ), en nature (métalliques, composites, couvertes de barrières thermiques, en titane, en carbone), en forme (planes, courbées, vrillées), et avec ou sans la présence de multi-perforations ou de circuits de refroidissement.

Tout ceci rend relativement compliquée la mise au point d'une méthode permettant de déterminer les températures auxquelles ont été soumises les différentes pièces.

Il est connu d'appliquer sur des pièces des peintures thermosensibles conçues pour changer de couleur localement et de façon irréversible lorsqu'elles sont exposées à des températures importantes.

A l'issue d'une période de fonctionnement ou de test, des tables permettent de déduire la température à laquelle a été soumise chaque zone de la pièce, en fonction de sa couleur. De telles peintures thermosensibles s'érodent rapidement en cas d'impacts provoqués par les écoulements chauds et turbulents. Les températures ne peuvent alors être relevées que lors des premières minutes d'essai sur des aubes de turbine par exemple. En outre, ces peintures ne fournissent que des mesures discrètes des températures atteintes, par paliers de 10°C à 220°C en fonction des peintures. Lorsqu'il s'agit de peintures conçues pour changer de couleur, les couleurs sont analysées visuellement par des opérateurs, ce qui peut générer des erreurs d'appréciation. Enfin, de telles peintures sont généralement toxiques (présence de plomb, de chrome, de nickel, ...).

Un autre type de revêtement, décrit dans le document WO 2009/083729, comporte des éléments dopants luminescents qui, lorsqu'ils ont été exposés à des températures élevées, ont des caractéristiques luminescentes spécifiques. En éclairant la pièce à partir d'une source de lumière, il est possible de détecter les caractéristiques luminescentes des différentes zones de la pièce et d'en déduire les températures auxquelles ont été soumises les différentes zones, par comparaison avec des étalons.

Ce type de revêtement présente des problèmes de tenue sur les pièces et des problèmes d'érosion prématurée en cas d'impacts provoqués notamment par les écoulements chauds et turbulents.

Il existe également des marqueurs thermiques qui ne sont utilisés que pour des mesures en temps réel. Dans le cas d'une mesure en temps réel, par exemple sur une aube de turbomachine, les mesures effectuées sont imprécises car les vitesses de rotation élevées provoquent des déplacements de l'aube qui peuvent être de plusieurs centimètres pendant l'acquisition.

En outre, les pièces internes à la turbomachine (chambre de combustion, aubes mobiles, distributeur haute pression, flasques, disques, anneaux, ..) sont peu accessibles pendant les essais et les pièces externes (carters, ...) sont difficiles à analyser car elles sont tridimensionnelles et de grande surface. En outre, les mesures sont perturbées car le faisceau lumineux nécessaire à la mesure traverse un milieu pollué (particules, suies, ...).

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.

A cet effet, elle propose un procédé pour traiter une pièce, notamment de turbomachine, permettant de relever la température atteinte par la pièce en fonctionnement, comprenant les étapes successives consistant à :

- traiter mécaniquement la pièce,

- oxyder la pièce,

- déposer au moins une couche comportant des moyens d'indication et de mémorisation de la température atteinte par la pièce en fonctionnement.

La pièce est ainsi recouverte d'une couche comportant des moyens d'indication de la température à laquelle a été soumise la pièce, de sorte qu'elle est capable de garder en mémoire la température atteinte par la zone correspondante de la pièce. Une information concernant la température atteinte peut donc être fournie, même après arrêt de la turbomachine (mesure différée dans le temps).

L'étape de d'oxydation implique une réaction chimique d'oxydation et la formation d'oxydes métalliques générant une certaine rugosité au niveau de la surface de la pièce.

Le traitement mécanique de la pièce et l'étape d'oxydation de celle-ci améliorent ainsi la tenue et la résistance mécanique de la couche précitée.

Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche comportant les moyens d'indication de la température est déposée par projection thermique par plasma chaud atmosphérique.

Un tel procédé est connu sous la référence APS (Air Plasma Spraying). Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la couche comportant les moyens d'indication de la température est déposée par dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons.

Un tel procédé est connu sous la référence EB-PVD (Electron Beam Physical Vapour Déposition) et vise à former une couche déposée dans une enceinte d'évaporation sous vide, à l'aide d'un bombardement électronique.

Selon encore une autre forme de réalisation, la couche comportant les moyens d'indication de la température est une couche à base d'oxyde déposée par voie sol-gel.

Dans ce cas, la couche déposée par voie sol-gel peut subir un traitement thermique.

De préférence, les moyens d'indication de la température sont à base de céramique dopée avec des phosphores, tels que des terres rares et/ou des oxydes métalliques, de façon à émettre des photons par luminescence lorsque la couche correspondante est éclairée par une source de lumière.

De tels moyens sont notamment connus du document WO 2009/083729.

En outre, la pièce est traitée mécaniquement par sablage, par exemple par sablage au corindon, avant le dépôt de la couche comportant des moyens d'indication de la température atteinte par la pièce en fonctionnement.

De plus, l'étape d'oxydation peut être obtenue en soumettant la pièce à une atmosphère oxydante (par exemple de l'air) et à une température comprise entre 600 et 950°C, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1 heure 30 minutes.

L'invention concerne également une pièce de turbomachine obtenue par exécution du procédé précité, comprenant au moins une couche comportant des moyens d'indication de la température atteinte par la pièce en fonctionnement. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, la pièce comporte un substrat, le procédé comportant les étapes consistant à :

- déposer une sous-couche métallique sur le substrat,

- traiter mécaniquement la sous-couche par sablage.

- déposer une première couche formant une barrière thermique sur la sous-couche,

- déposer une seconde couche comportant des moyens d'indication de la température à laquelle la pièce est soumise en fonctionnement, la pièce comportant le substrat, la sous-couche métallique, la première couche et la seconde couche.

Dans ce procédé, la seconde couche comporte en outre des moyens d'indication de la température à laquelle a été soumise la pièce, de sorte qu'elle est capable de garder en mémoire la température atteinte par la zone correspondante de la pièce. Une information concernant la température atteinte peut donc être fournie, même après arrêt de la turbomachine (mesure différée dans le temps).

Le procédé peut également comporter une étape de dépôt d'une couche additionnelle comportant des moyens d'indication de la température atteinte par la pièce en fonctionnement, ladite couche additionnelle étant déposée entre la sous-couche métallique et la couche formant une barrière thermique.

De cette manière, la pièce comporte deux couches distinctes équipées de marqueurs thermiques, l'une de ces couches étant apte à fournir une indication sur la température des gaz à l'extérieur de la pièce, l'autre couche étant apte à fournir une indication de la température atteinte au sein de la pièce et/ou une indication sur la performance de la couche formant une barrière thermique.

La sous-couche peut être en un matériau de type MCrAIY, dans lequel M est choisi parmi le groupe comprenant Ni, Co et NiCo. En outre, le dépôt de la sous-couche peut comporter une étape de dépôt de platine, par exemple un dépôt électrolytique, et/ou une étape de dépôt d'aluminium, par exemple par aluminisation en phase vapeur.

Enfin, l'invention concerne également une pièce de turbomachine obtenue par exécution du procédé précité, comportant un substrat recouvert, au moins en partie, d'une sous-couche métallique sur laquelle sont déposées une première couche formant une barrière thermique et une seconde couche comportant des moyens d'indication de la température atteinte par la pièce.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique d'une partie d'une pièce selon une première forme de réalisation de l'invention,

- la figure 2 est une vue schématique d'une partie d'une pièce selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, la figure 3 est une vue schématique d'une partie d'une pièce selon une troisième forme de réalisation de l'invention,

- la figure 4 est une vue schématique d'une partie d'une pièce selon une quatrième forme de réalisation de l'invention.

La figure 1 illustre une partie d'une pièce 1 de turbomachine, telle par exemple qu'une aube de turbine, obtenue par exécution d'un premier procédé selon l'invention.

De manière générale, l'invention concerne tout type de pièces de turbomachine, telles par exemple que des aubes mobiles ou fixes de compresseurs et de turbines haute pression ou basse pression, des anneaux, des flasques, des disques, des carters de chambre ou de turbine, des déflecteurs et des viroles des chambres de combustion, des volets, des bras, le cône d'éjection, ou encore les chemises de canaux de réchauffe. La pièce 1 comporte par exemple un substrat 2 en un superalliage à base de nickel et/ou de cobalt.

Une première étape consiste à traiter mécaniquement le substrat 2, par exemple par sablage au corindon. La granulométrie de la poudre utilisée pour le sablage au corindon est comprise par exemple entre 150 et 250 μηη.

Le substrat 2 est ensuite oxydé en le soumettant à une atmosphère oxydante (par exemple de l'air), à une température comprise entre 600°C et 950°C, pendant une durée comprise entre 30 minutes et 1 heure 30 minutes.

On applique sur la surface externe du substrat 2 une couche 3 comportant des moyens d'indication de la température atteinte par la pièce 1 en fonctionnement. Ces derniers sont réalisés à base de céramique dopée avec des phosphores, tels que des terres rares et/ou des oxydes métalliques, de façon à émettre des photons par luminescence lorsque ladite couche 3 est éclairée par une source de lumière. Le signal de luminescence ainsi émis est fonction de la température maximale atteinte par la pièce 1 . Ces marqueurs forment donc une mémoire dans laquelle est enregistrée la température maximale atteinte par la pièce 1 .

Le traitement mécanique et l'étape d'oxydation du substrat 2 permettent d'augmenter l'adhérence et la tenue de la couche 3 précitée sur le substrat 2.

Selon une forme de réalisation de l'invention, la couche 3 est déposées par projection thermique par plasma chaud atmosphérique ou APS (Air Plasma Spraying).

En variante, cette couche 3 est déposée par dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons ou EB-PVD.

Selon une autre forme de réalisation, la couche 3 est une couche de peinture comportant un liant, un solvant et les marqueurs thermiques précités. Cette couche de peinture est déposée par exemple à l'aide d'un pistolet. Selon encore une autre variante, ladite couche 3 est déposée par voie sol-gel, comme cela est connu du document FR 2 957 358.

On rappelle que la voie sol-gel est un procédé de synthèse de "chimie douce " utilisée pour l'élaboration, à basse température (notamment à température ambiante), de poudres et de couches céramiques de type oxyde. Ce procédé utilise un mélange de précurseurs ioniques (sel métallique) et/ou moléculaire (alcoxydes métalliques). Dans cette phase liquide, appelée sol (le sol comporte un solvant et des précurseurs dispersés), les réactions chimiques d'hydrolyse et de condensation contribuent à la formation d'un réseau inorganique tridimensionnel (gel) à viscosité infinie dans lequel le solvant demeure. Selon l'invention, les marqueurs thermiques sont contenus dans les précurseurs (monomères) qui sont dispersés dans le sol. Après hydrolyse et condensation des précurseurs, on obtient un gel qui va être séché pour faire disparaître le solvant.

Pour évacuer ce solvant, il existe deux modes de séchage possibles.

D'une part, le séchage conventionnel qui permet par un étuvage à basse température et à pression atmosphérique, de sécher le gel précurseur de zircone pour former un xérogel dans lequel le réseau tridimensionnel du gel disparait.

D'autre part, il est possible de réaliser un séchage dans des conditions supercritiques (par exemple quelques heures à une température comprise entre 250°C et 300°C), ce qui permet, après évaporation du solvant, de conserver le réseau tridimensionnel du gel. Dans ce cas, il se forme un aérogel.

A l'issue du séchage (conventionnel ou supercritique) a lieu une étape de calcination (par exemple de quelques heures à une température comprise entre 900°C et 1000°C). Cette étape conduit à la formation de poudre. On note que dans le cas d'un aérogel, les particules sont beaucoup plus fines (taille inférieure à 500 nm), monodispersées et de surface spécifique plus élevée.

Outre rabaissement des températures de synthèse, par rapport aux procédés classiques de projection (notamment EP-BVD), la voie sol- gel permet en outre d'obtenir des oxydes de zirconium de grande pureté mais également des oxydes de zirconium dopés avec des éléments comme l'yttrium ou d'autres terres rares.

A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche 3 est par exemple comprise entre 10 et 200 μηη. Cette épaisseur peut varier en fonction de la température à laquelle est soumise la pièce 1 .

La figure 2 illustre une partie d'une pièce 10 de turbomachine, telle par exemple qu'une aube de turbine, obtenue par exécution d'un deuxième procédé selon l'invention.

La pièce 10 comporte par exemple un substrat 20 en un superalliage à base de nickel et/ou de cobalt.

Une première étape consiste à déposer une sous-couche métallique 30 de liaison sur une surface du substrat 20. Cette sous-couche 30 a de préférence un coefficient de dilatation thermique proche de celui du substrat 20.

La sous-couche 30 est par exemple formée d'un alliage de type MCrAIY, M étant choisi parmi le nickel, le cobalt ou un mélange de ces métaux. Dans ce cas, la sous-couche 30 est par exemple déposée par projection thermique par plasma chaud atmosphérique ou APS (Air Plasma Spraying) et l'épaisseur de la sous-couche 30 est par exemple inférieure à 50 μηη.

En variante, la sous-couche 30 peut être une couche de platine, réalisée par un dépôt électrolytique, et/ou une couche d'aluminium, déposée par aluminisation en phase vapeur ou APV. Dans ce cas, l'épaisseur de la couche de platine est par exemple comprise entre 5 et 10 μηη et l'épaisseur de la couche d'aluminium est comprise entre 5 et 20 μηη.

La sous-couche 30 est ensuite traitée mécaniquement, par exemple par sablage, préférentiellement par sablage au corindon, avant le dépôt d'une première couche 40 sur la sous-couche 30. La granulométrie de la poudre utilisée pour le sablage au corindon est comprise par exemple entre 150 et 250 μηη.

La sous-couche métallique 30 assure l'adhérence entre le substrat 20 et la première couche 40. L'adhérence entre la sous-couche 30 et le substrat 20 de la pièce 10 est obtenue par inter-diffusion, et l'adhérence entre la sous-couche 30 et la première couche 40 est obtenue par ancrage mécanique et par la propension de la sous-couche 30 à développer à haute température, à l'interface sous-couche 30 / première couche 40, une couche d'oxyde mince qui assure le contact chimique avec la première couche 40. En outre, la sous-couche métallique 30 assure la protection de la pièce 10 contre les phénomènes de corrosion.

La première couche 40 forme une barrière thermique et comprend par exemple, comme cela est connu du document FR 2 957 358, une couche de céramique à base de zircone stabilisée a l'oxyde d'yttrium, à savoir une zircone yttriée ayant une teneur molaire d'oxyde d'yttrium entre 4 et 12 %, qui présente un coefficient de dilatation thermique différent de celui du superalliage constituant le substrat 20 et une conductivité thermique assez faible. La zircone stabilisée peut également contenir dans certains cas au moins un oxyde d'un élément choisi dans le groupe constitué de terres rares, de préférence dans le groupe: Y (yttrium), Dy (dysprosium), Er (erbium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Sm (samarium), Yb (ytterbium), ou une combinaison d'un oxyde de tantale (Ta) et d'au moins un oxyde de terre rare, ou avec une combinaison d'un oxyde de niobium (Nb) et d'au moins un oxyde de terre rare. Dans le cas d'une aube de turbine, par exemple, cette barrière thermique 40 permet notamment d'augmenter la température d'entrée des gaz dans la turbine, de réduire le flux d'air de refroidissement et ainsi d'améliorer le rendement de la turbomachine. On rappelle que la température limite d'utilisation des superalliages est de l'ordre de 1 100°C, alors que la température des gaz en sortie de chambre de combustion ou à l'entrée de la turbine peut atteindre 1600°C.

Une seconde couche 50 est ensuite déposée sur la barrière thermique 40. Cette seconde couche 50 comporte des moyens d'indication de la température à laquelle a été soumise la pièce 10, également appelés marqueurs thermiques. Ces derniers sont réalisés à base de céramique dopée avec des phosphores, tels que des terres rares et/ou des oxydes métalliques, de façon à émettre des photons par luminescence lorsque la seconde couche 50 est éclairée par une source de lumière. Le signal de luminescence ainsi émis est fonction de la température maximale atteinte par la pièce 10. Ces marqueurs forment donc une mémoire dans laquelle est enregistrée la température maximale atteinte par la pièce 10.

Dans la forme de réalisation de la figure 2, les première et seconde couches 40, 50 sont distinctes l'une de l'autre et sont déposées successivement.

Selon une variante représentée à la figure 3, une autre couche 50' est déposée entre les couches 30 et 40, la composition de la couche 50' étant identique ou similaire à celle de la couche 50. La couche 50' comporte donc également des marqueurs thermiques.

Plus précisément, les marqueurs thermiques de la couche 50 fournissent une indication sur la température des gaz au niveau de la paroi externe de la pièce et les marqueurs thermiques de la couche 50' fournissent une indication sur la température atteinte au sein de la pièce, de l'autre côté de la barrière thermique 40. Les marqueurs thermiques de la couche 50' peuvent également fournir une indication sur la performance de la barrière thermique 40. Selon une autre forme de réalisation, représentée à la figure 4, la première couche 40 et la seconde couche 50 sont déposées simultanément et forment une seule et même couche 60.

La première couche 40 et/ou la seconde couche 50 peuvent être déposées par projection thermique par plasma chaud atmosphérique ou APS (Air Plasma Spraying).

En variante, la première couche 40 et/ou la seconde couche 50 peuvent être déposées par dépôt en phase vapeur par faisceau d'électrons ou EB-PVD.

Dans le cas des figures 2 et 3, l'épaisseur de la couche 40 est par exemple comprise entre 1 et 300 μηη et l'épaisseur de la couche 50 et/ou de la couche additionnelle 50' est par exemple comprise entre 10 et 50 μηη. Dans le cas de la figure 4, la couche commune 60 a par exemple une épaisseur comprise entre 1 et 300 μηη. Ces épaisseurs peuvent varier en fonction des températures auxquelles sont soumises les pièces.

Quatre exemples vont maintenant être décrits. Les exemples 1 et 2 se réfèrent à la forme de réalisation de la figure 2, les exemples 3 et 4 se réfèrent à la forme de réalisation de la figure 3, et les exemples 5 et 6 se réfèrent à la forme de réalisation de la figure 4. Chaque exemple décrit les étapes successives du procédé correspondant.

Exemple 1 :

- Dépôt par procédé APS d'une sous-couche 30 en un matériau du type MCrAIY, où M appartient au groupe (Ni, Co, NiCo),

- Sablage de la sous-couche 30 au corindon,

- Dépôt par procédé APS de la première couche 40 formant la barrière thermique,

- Dépôt par procédé APS de la seconde couche 50 comportant les marqueurs thermiques. Exemple 2 :

- Dépôt électrolytique d'une couche en platine,

- Dépôt par aluminisation en phase vapeur ou APV d'une couche en aluminium formant, avec la couche en platine, une sous-couche 30,

- Sablage de la sous-couche 30 au corindon,

- Dépôt par procédé EB-PVD de la première couche 40 formant la barrière thermique,

- Dépôt par procédé EB-PVD de la seconde couche 50 comportant les marqueurs thermiques.

Exemple 3 :

- Dépôt par procédé APS d'une sous-couche 30 en un matériau du type MCrAIY, où M appartient au groupe (Ni, Co, NiCo),

- Sablage de la sous-couche 30 au corindon,

- Dépôt par procédé APS de la couche 50' comportant les marqueurs thermiques,

- Dépôt par procédé APS de la couche 40 formant la barrière thermique,

- Dépôt par procédé APS de la couche 50 comportant les marqueurs thermiques.

Exemple 4 :

- Dépôt électrolytique d'une couche en platine,

- Dépôt par aluminisation en phase vapeur ou APV d'une couche en aluminium formant, avec la couche en platine, une sous-couche 30,

- Sablage de la sous-couche 30 au corindon,

- Dépôt par procédé EB-PVD de la couche 50' comportant les marqueurs thermiques, - Dépôt par procédé EB-PVD de la couche 40 formant la barrière thermique,

- Dépôt par procédé EB-PVD de la couche 50 comportant les marqueurs thermiques.

Exemple 5 :

- Dépôt par procédé APS d'une sous-couche 30 en un matériau du type MCrAIY, où M appartient au groupe (Ni, Co, NiCo),

- Sablage de la sous-couche 30 au corindon,

- Dépôt par procédé APS d'une couche 60 formant la barrière thermique et comportant des marqueurs thermiques.

Exemple 6 :

- Dépôt électrolytique d'une couche en platine,

- Dépôt par aluminisation en phase vapeur ou APV d'une couche en aluminium formant, avec la couche en platine, une sous- couche 30,

- Sablage de la sous-couche 30 au corindon,

- Dépôt par procédé EB-PVD d'une couche 60 formant la barrière thermique et comportant des marqueurs thermiques.