VALIDATION DE LA THERMOGRAPHIE ACTIVE FLYING SPOT DANS LA GAMME SWIR POUR LA DETECTION DE FISSURE DANS DES AUBES TUHP

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Décollement de la barrière thermique

La barrière est un système multicouche de 150 à 300μm d’épaisseur qui a pour but de protéger le superalliage constituant l’aube, des gaz de combustion (Figure 2). Elle est constituée d’une première couche en zircone yttriée dont la conductivité thermique est de l’ordre de 1.5W.m-1.K-1. Sa structure est colonnaire et le gradient de température au travers de cette couche est de l’ordre de 1K.μm-1, permettant d’abaisser la température du superalliage de 100 à 200K [Mévrel09, Hamadi09].
La couche de zircone est déposée par EB-PVD sur une couche de liaison en alliage NiAlPt de 40 à 50μm d’épaisseur, assurant la continuité des propriétés mécaniques entre la céramique et le superalliage [Mévrel09, Hamadi09].
Une couche d’alumine se développe à la surface de la couche de liaison, qui protège le superalliage contre l’oxygène diffusant au travers de la couche de céramique [Mévrel09, Hamadi09].
Les processus de rupture de la couche de liaison entre le substrat en superalliage d’AM1 et la barrière thermique ne sont pas complètement compris actuellement. Cet endommagement est sujet
à une grande variabilité d’une aube à l’autre, et d’un moteur à l’autre, dans des conditions d’utilisation similaires. Le décollement de la barrière thermique touche en revanche principalement une zone située sur l’intrados, au centre de l’aube, là où la croissance de la couche d’Al2O3 est la plus importante (Figure 3).
Dans cette zone, la rupture de la couche de liaison progresse sous la barrière thermique, en partant du sommet de l’aube vers le pied. Lorsque la tenue mécanique de la zone touchée devient trop faible pour résister aux contraintes thermomécaniques et aérodynamiques, la barrière thermique s’écaille brutalement sur une surface pouvant s’étendre sur plusieurs mm².
Figure 4 : Illustration de décollements progressifs de la barrière thermique (en rouge).
L’Onera a mis en oeuvre une technique permettant d’imager la zone touchée par une rupture de la couche de liaison. Cette technique appelée piézospectroscopie, utilise comme moyen de détection la fluorescence du chrome contenue dans la sous-couche de liaison en Al2O3. Le décalage spectral des raies de fluorescence est directement lié à la contrainte d’accrochage de la barrière thermique. Dans le cas d’un décollement, la contrainte disparaît. L’observation du décalage des pics point par point permet donc de remonter à une cartographie des zones sujettes à une rupture de la sous-couche, pour lesquelles le risque de décollement est important [Margueron04].
Bien que le décollement de la barrière thermique soit dommageable pour la tenue mécanique du superalliage d’AM1 dans la partie exposée au gaz de combustion, les retours d’expérience montrent que ce défaut reste mineur face à la fissuration des aubes TuHP.

Origine et propagation de fissures dans les aubes TuHP

Le processus de fissuration qui conduit une aube TuHP saine à se rompre, se décompose en deux temps. Au cours de la première phase, dite d’endommagement, les cycles de chargement en fatigue et en fluage provoquent des décohésions de matière à l’échelle du micron, au sein du matériau. La localisation de ces décohésions dépend de paramètres microstructuraux, de la température et de l’environnement. Sous l’effet des cycles de chargement, les décohésions coalescent et sont à l’origine de microcavités et de microfissures.
Dès lors qu’une fissure émerge de ces défauts et atteint une dimension de quelques centaines de microns (300μm dans le cas des aubes TuHP), on considère que la phase d’endommagement est achevée et que l’on débute la phase de propagation. Au cours de cette seconde phase, la direction et la vitesse de la fissure dépendent en grande partie, du chargement appliqué et de la géométrie de la pièce, par le biais des concentrations de contrainte au voisinage du front de fissure (Figure 6). Les paramètres structuraux du monocristal, comme l’orientation des plans cristallins, peuvent influer également sur la direction et la vitesse de propagation.
Ces deux phases, qui sont davantage détaillées dans le paragraphe 5.1.1, provoquent l’apparition de fissures dans les aubes TuHP, dont l’état est difficilement prévisible en raison du grand de paramètres influant sur l’endommagement du matériau et sur la propagation des fissures.
Cette difficulté rend ces fissures particulièrement critiques, et de ce fait, elles font l’objet d’une inspection régulière et minutieuse pour éviter la rupture de l’une d’elles et la ruine du moteur.

Modes de détection actuels des fissures

Les types de CND pour la détection de la fissuration

La détection de fissures fait appel à de nombreuses techniques de contrôle non destructif qui sondent la matière en surface ou dans le volume, par le biais d’un rayonnement électromagnétique,
d’un courant électrique ou d’une sollicitation mécanique.

Détection de fissures par thermographie

La thermographie est la détection du rayonnement thermique d’un corps, qu’il soit spontanément produit par l’objet observé (thermographie passive) ou stimulé par un apport d’énergie global ou local, au moyen d’une source excitatrice (thermographie active). Les gammes de longueurs d’onde couvrent un spectre allant de 1 à 12μm, en trois bandes distinctes qui seront détaillées au paragraphe 1.6.
La détection de fissures par thermographie passive repose sur la visualisation, au moyen d’une caméra infrarouge, d’un changement local de l’émissivité. Les fissures sont en effet assimilables à des corps noirs et leur émissivité tend vers 1. Le contraste sur l’image infrarouge est  alors élevé, puisque les fissures émettent un flux infrarouge supérieur à celui émis par une zone saine.
La thermographie active exploite les variations locales des propriétés thermiques aux abords des fissures et notamment leur effet de résistance thermique. Les fissures sont alors détectées grâce au déséquilibre thermique local qu’elles génèrent en perturbant la distribution de température créée
par la source de chaleur excitatrice.
Dans le cadre de cette thèse, la thermographie active est la technique utilisée pour la détection de fissures dans les aubes TuHP du M88. La technique adoptée pour permettre le contrôle in situ sera détaillée au paragraphe 1.6.

Détection de fissures par ressuage

Le contrôle par ressuage est une technique de CND se limitant à la détection de défauts débouchant à la surface de la pièce inspectée. Le processus de contrôle se déroule en deux phases : la pièce est tout d’abord recouverte d’un liquide pénétrant, par immersion ou par pulvérisation. Le produit s’infiltre dans les fissures par capillarité et peut partiellement se diffuser dans le matériau. La deuxième phase consiste à nettoyer délicatement la pièce pour retirer le produit pénétrant en excès sur la surface. L’opération conserve les infiltrations au coeur des fissures. Un révélateur est ensuite appliqué sur la pièce, provoquant une diffusion du pénétrant en surface. La zone concernée par la diffusion étant plus large que le défaut, il en résulte une meilleure détectivité au détriment de la résolution. Cette perte de résolution n’est cependant pas pénalisante puisque le but du ressuage est la détection des fissures sans objectif de dimensionnement. Afin de visualiser les tâches de diffusion marquant les fissures, l’opérateur éclaire la pièce dans le cas de pénétrants colorés ou l’expose à un rayonnement UV dans le cas de pénétrants fluorescents. L’inspection de la pièce est donc visuelle.
Figure 7 : Détection de fissures dans un tube par ressuage [Piriou2008].
Cette technique, en plus d’être longue à mettre en oeuvre, ne peut être utilisée que sur des matériaux peu poreux. En effet les porosités absorberaient le liquide sur toute la surface de la pièce, rendant le rinçage inutile et la détection de fissures impossible par manque de contraste. Le choix du liquide pénétrant est donc crucial pour la réussite de l’opération, puisque sa viscosité doit être suffisamment élevée pour que la détection ne soit pas affectée par les rugosités de surface et la porosité du matériau, tout en restant suffisamment fluide pour s’infiltrer dans les fissures.
Dans le cadre du CND appliqué à l’inspection des turboréacteurs, on peut noter que le ressuage est utilisé pour le contrôle de l’intégrité du disque de turbine HP. Son utilisation est en revanche proscrite sur les aubes TuHP en raison de la structure très poreuse de la barrière thermique assurant leur protection.

Détection de fissures par magnétoscopie

La magnétoscopie est une technique de détection de fissures débouchantes ou non, applicable aux matériaux ferromagnétiques exclusivement. La pièce inspectée est soumise à un champ magnétique dont les paramètres doivent être adaptés aux propriétés ferromagnétiques du matériau ainsi qu’à la géométrie de la pièce. Le flux magnétique généré par le champ peut être perturbé localement par une fissure puisque la perméabilité magnétique du matériau est bien supérieure à celle de la lame d’air constituant la fissure. La détectivité étant maximale lorsque le flux magnétique est perpendiculaire à la fissure, le contrôle est généralement effectué selon deux axes orthogonaux.
Comme dans le cas du ressuage, un liquide révélateur, contenant des particules colorées ou fluorescentes, est pulvérisé sur la surface de la pièce. Les perturbations du flux magnétique, causées par les fissures y provoquent une accumulation de ces particules. Les agrégats de particules marquant les fissures sont ensuite mis en évidence en exposant la pièce à une source de rayonnement visible ou UV, suivant le révélateur choisi.
Figure 8 : Exemple de détection d’une fissure par magnétoscopie [Graveleau08].
Cette méthode n’est applicable qu’aux matériaux ferromagnétiques, or l’AM1 ne présente pas cette propriété. Cette technique ne peut donc pas être mise en oeuvre pour la détection de fissures dans les aubes TuHP.

Détection de fissures par courant de Foucault

La détection de fissure par courant de Foucault consiste à soumettre la pièce inspectée à un champ magnétique variable dans le temps, qui génère, par induction, des courants dans le matériau.
Ces courants génèrent d’une part, un échauffement du matériau (effet Joule), et d’autre part, un champ magnétique induit s’opposant au champ excitateur.
En présence d’une fissure, la trajectoire des lignes de courant est perturbée, tout comme en présence d’une variation locale des propriétés électromagnétiques du matériau ou d’un élément géométrique comme une arête vive ou un trou de perçage. La perturbation des lignes de courant entraîne une modification du champ induit, et donc un déséquilibre entre ce champ et le champ d’excitation. Le principe de détection consiste donc à mettre en évidence ce déséquilibre et à l’interpréter, pour distinguer le signal généré par une fissure d’un signal parasite (effets géométriques, conditions expérimentales…).
Bien que cette méthode soit déjà largement utilisée dans le domaine aéronautique, notamment pour détecter la présence de fissures sous les rivets, elle reste inenvisageable pour la détection de fissure dans les aubes TuHP, pour les mêmes raisons que la magnétoscopie, c’est-à-dire à cause de leur géométrie complexe et de l’encombrement du dispositif de contrôle.

Détection de fissure par ultrasons

La détection de fissure par ultrasons consiste à sonder la pièce à inspecter au moyen d’ondes mécaniques dont les fréquences sont de l’ordre du mégahertz, ce qui empêche toute propagation dans l’air. La transmission des ultrasons depuis l’émetteur vers la pièce nécessite donc d’utiliser soit un gel couplant, soit d’immerger complètement ou partiellement le dispositif de contrôle et la pièce.
Plusieurs méthodes de détection sont utilisées pour localiser des fissures ou des cavités, comme l’échographie qui consiste à analyser des signaux d’échos réfléchis sur les défauts et sur les bordures de la pièce, ou la méthode par transmission qui consiste à placer le dispositif émetteur/récepteur de part et d’autre de la pièce, et à détecter une altération ou une interruption du signal. Quelle que soit la méthode utilisée, la détection d’un défaut repose donc nécessairement sur la comparaison du signal ultrasonore de référence, obtenu sur une pièce saine, avec le signal ultrasonore perturbé par la présence du défaut dans une pièce endommagée. Notons également que plusieurs modes de propagation d’onde sont utilisés en fonction des types de défauts à détecter ou de leurs localisations dans le matériau, comme les ondes longitudinales, transversales, de surface (ondes de Rayleigh) ou encore de plaque (ondes de Lamb).
L’utilisation de la détection de fissures par ultrasons pour le contrôle des aubes TuHP in situ, est avant tout limitée par la nécessité d’intercaler un milieu couplant entre l’émetteur et la surface de la pièce, qu’il soit sous forme de gel ou de liquide. D’autre part, on peut imaginer que la complexité de la géométrie d’une aube et de sa structure (multicouche, conduits d’aération interne…) rend inévitablement les signaux d’échos inexploitables.

Méthodes optiques par endoscopie ou vidéoscopie

L’endoscopie

L’endoscope est un instrument permettant de réaliser des images à distance de corps inaccessibles pour des systèmes d’observation directes. Ils sont constitués d’un toron cohérent de fibres optiques souples disposées en quinconce, permettant la transmission d’une image depuis une tête articulée, équipée d’un système de microlentilles, vers l’observateur. Celui-ci peut alors analyser l’image en sortie de toron au moyen d’un oculaire, ou plus récemment, d’une caméra CCD. La souplesse des fibres optiques et de la gaine de protection, combinée à l’articulation de la tête selon deux axes, permet de suivre un cheminement complexe jusqu’à la zone d’observation. Les endoscopes intègrent systématiquement des dispositifs d’éclairage qui peuvent être externes (source de lumière connectée à un second toron de fibres optiques) ou intégré à la tête articulée (LED). La première utilisation des endoscopes pour le contrôle des aubes TuHP in situ remonte aux années 70, avec l’inspection des turboréacteurs M53.
Le principal défaut des endoscopes est la faible résolution associée au nombre de fibres optiques constituants le toron. L’ordre de grandeur, pour les endoscopes actuels, est de 10 à 30000 fibres optiques pour un diamètre externe de 4 à 8mm. Le diamètre unitaire des fibres influe également sur la résolution et peut varier de 3 à 25μm. Les torons cohérents ne peuvent donc plus rivaliser avec les capteurs CCD miniaturisés comptant environ 300000 pixels, développés ces dernières années, dont l’encombrement est de l’ordre du millimètre. Depuis le début du XXIe siècle, ce nouveau système d’observation intrusif nommé vidéoscopie, bénéficiant des progrès considérables des capteurs CCD, a progressivement remplacé l’endoscopie.

Table des matières

INTRODUCTION .
CHAPITRE 1. ELEMENTS DIDACTIQUES POUR LA COMPREHENSION DE LA THESE
1.1. FONCTION ET ELEMENTS D’UN TURBOREACTEUR
1.2. LES AUBES DU M88
1.2.1. Décollement de la barrière thermique
1.2.2. Origine et propagation de fissures dans les aubes TuHP
1.3. MODES DE DETECTION ACTUELS DES FISSURES
1.3.1. Les types de CND pour la détection de la fissuration
1.3.2. Méthodes optiques par endoscopie ou vidéoscopie
1.3.3. Limites des méthodes optiques dans le visible
1.4. THERMOGRAPHIE INFRAROUGE
1.4.1. Définition et nomenclature des différentes bandes infrarouges
1.4.2. Application de la bande SWIR :
1.4.3. Thermographie passive
1.4.4. Thermographie active
1.5. OBJECTIFS ET MOYENS DE LA THESE
1.5.1. Transcription des étapes de la thèse dans le mémoire
1.5.2. Modèle mécanique pour la simulation de la propagation de fissure et l’estimation de la durée de vie résiduelle des aubes TuHP.
CHAPITRE 2. CONCEPTION ET REALISATION D’UN BANC OPTIQUE DE THERMOGRAPHIE ACTIVE FLYING SPOT POUR LA MISE AU POINT D’UN DISPOSITIF ENDOSCOPIQUE D’INSPECTION DES AUBES TUHP
2.1. PRINCIPE DE LA METHODE FLYING SPOT ET RESULTATS ANTERIEURS
2.2. MODELE PHOTOTHERMIQUE
2.2.1. Calcul du champ de température en milieu homogène
2.2.2. Calcul du signal infrarouge d’origine thermique en présence de fissure
2.2.3. Calcul du signal infrarouge d’origine optique en présence d’un défaut de surface
2.2.4. Calcul du signal infrarouge total en présence d’une fissure
2.3. CONTRIBUTION DE LA RUGOSITE DE LA BARRIERE THERMIQUE
2.4. NECESSITE DE LA NORMALISATION
2.5. REALISATION EXPERIMENTALE
2.5.1. Définition de l’instrument pour l’inspection in situ des aubes TuHP
2.5.2. Compatibilité des fibres optiques avec une observation dans la gamme SWIR
2.5.3. Acquisition des images SWIR au travers d’un toron d’endoscope
2.5.4. Méthodologie du contrôle
2.5.5. Montage fibré
2.5.6. Essais et validation du montage fibré
2.5.7. Montage non fibré
2.5.8. Essais et validation du montage non fibré équipé de platine de translation linéaire
2.5.9. Limite de la normalisation
2.6. ETUDE COMPARATIVE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX ET FOURNIS PAR LE MODELE
2.6.1. Etude comparative des profils thermiques d’une fissure et d’une entaille dans de l’AM1 non revêtu de barrière thermique en fonction de la vitesse de balayage
2.6.2. Etude de l’influence de la vitesse sur les images SWIR d’une fissure dans de l’AM1 non revêtu de barrière thermique.
2.6.3. Etude de l’influence de la position de la tache de détection par rapport à la tache laser sur les
images SWIR d’une fissure dans de l’AM1 non revêtu de barrière thermique.
2.6.4. Etude de l’influence du diamètre de la tache de détection par rapport à la tache laser sur les
images SWIR d’une fissure dans de l’AM1 non revêtu de barrière thermique.
2.6.5. Etude de l’influence de la vitesse sur les images SWIR d’une fissure dans de l’AM1 revêtu de
barrière thermique.
2.6.6. Etude de l’influence de la position de la tache de détection par rapport à la tache laser sur les
images SWIR d’une fissure dans de l’AM1 revêtu de barrière thermique.
2.6.7. Etude de l’influence du diamètre de la tache de détection par rapport à la tache laser sur les
images SWIR d’une fissure dans de l’AM1 revêtu de barrière thermique.
2.7. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 3. VALIDATION DE LA THERMOGRAPHIE ACTIVE FLYING SPOT DANS LA GAMME SWIR POUR LA DETECTION DE FISSURE DANS DES AUBES TUHP
3.1. TYPE DE FISSURES OBSERVABLES SUR UNE SERIE D’AUBE EN RETOUR D’EXPERIENCE
3.2. OBSERVATIONS VISIBLES ET SWIR DES FISSURES
3.2.1. Crique de type DE
3.2.2. Crique de type SH
3.2.3. Criques de type BE
3.3. EXPLOITATION DES DONNEES EXPERIMENTALES
3.3.1. Choix du type de fissure à modéliser
3.3.2. Définition des paramètres utiles à la simulation de la propagation de fissures
3.4. CONCLUSION DU CHAPITRE
CHAPITRE 4. MODELE PHENOMENOLOGIQUE CRACKOXFLU : EVALUATION DE LA DUREE DE VIE RESIDUELLE DES AUBES TUHP EN PROPAGATION DE FISSURE
4.1. SCHEMA DE CALCUL DE LA DUREE DE VIE RESIDUELLE
4.1.1. Etapes de calcul de la durée de vie résiduelle
4.1.2. Chargement et effet de la température dans le cas de aubes TuHP
4.2. MODELE DE PROPAGATION DE FISSURE EN MECANIQUE LINEAIRE DE LA RUPTURE
4.2.1. Calcul de l’avancée de fissure
4.2.2. Modèle CrackOxFlu
4.3. INTEGRATION DU MODELE CRACKOXFLU DANS LE CODE DE CALCUL ZEBULON
4.3.1. Méthodes numériques de propagation de fissures
4.3.2. Simulation de l’insertion et de la propagation d’une fissure au moyen du code ZéBuLoN/CrackOxFlu
4.3.3. Validation de l’intégration dans ZéBuLoN
4.4. SIMULATION 3D DE LA PROPAGATION DE FISSURE DANS LES AUBES TUHP
4.4.1. Description des conditions de chargement
4.4.2. Simulations de la propagation de fissures dans le cas d’une aube TuHP
4.4.3. Comparaison des fissures simulées et observées expérimentalement.
4.5. CONCLUSION DU CHAPITRE
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
RESUME
RESUME EN ANGLAIS

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