FR2569851A1

FR2569851A1 - METHOD FOR DETECTING ADHERENCE DEFECT

Info

Publication number: FR2569851A1
Application number: FR8512890A
Authority: FR
Inventors: John Frank Halase; David Frank Lahrman; Thomas Edward Bantel
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-09-04
Filing date: 1985-08-29
Publication date: 1986-03-07
Also published as: GB8521480D0; DE3531215A1; GB2164147A; JPS6189549A; IT1185661B; IT8522008A0

Abstract

PROCEDE DE DETECTION DES DEFAUTS D'ADHERENCE D'UN REVETEMENT SUR UN SUBSTRAT. IL CONSISTE A : -TRANSFERER DE LA CHALEUR AU REVETEMENT; -MESURER DES DIFFERENTIELS DES TEMPERATURES DU REVETEMENT EN DES POSITIONS CHOISIES; -COMPARER PAR RAPPORT A UNE REFERENCE DES TEMPERATURES SELECTIONNEES PARMI LES TEMPERATURES MESUREES. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.METHOD FOR DETECTION OF ADHESION DEFECTS OF A COATING ON A SUBSTRATE. IT CONSISTS OF: -TRANSFERING HEAT TO THE COATING; -MEASURE DIFFERENTIALS OF THE COATING TEMPERATURES IN SELECTED POSITIONS; -COMPARE WITH A REFERENCE OF THE TEMPERATURES SELECTED AMONG THE TEMPERATURES MEASURED. APPLICATION TO GAS TURBINE ENGINES.

Description

La présente invention concerne la détection de défauts d'adhérence (c'est-The present invention relates to the detection of adhesion defects (ie

à-dire la détection de bulles ou "mauvaises liaisons") dans un revêtement appliqué à une surface. Les aubes de turbine d'un moteur à turbine à gaz sont frappées par des gaz chauds et, comme cela est bien connu, plus les gaz sont chauds, plus le rendement du cycle thermodynamique du moteur est élevé. Cependant, les hautes ie the detection of bubbles or "bad connections") in a coating applied to a surface. The turbine blades of a gas turbine engine are struck by hot gases and, as is well known, the hotter the gases, the higher the efficiency of the engine's thermodynamic cycle. However, the high

températures ont tendance à dégrader les aubes de la tur- temperatures tend to degrade the vanes of tur-

bine. C'est pourquoi on recouvre généralement les aubes avec un revêtement formant une barrière thermique de protection bine. This is why we generally cover the blades with a coating forming a thermal barrier of protection

(RBT).(RBT).

Un type de revêtement formant barrière thermique de protection est constitué d'une couche ayant une épaisseur A type of protective thermal barrier coating consists of a layer having a thickness

comprise entre 0,076 et 0,41 mm d'oxyde de zirconium stabi- between 0.076 and 0.41 mm of stabilized zirconium oxide

lisé avec 8 % d'yttria (Y203). Pour être efficace, il made with 8% yttria (Y203). To be effective, it

faut que ce revêtement soit solidement lié à l'aube, c'est- must be firmly bonded to the dawn, that is,

à-dire ne présente aucune bulle, ou défaut d'adhérence comme cela est le cas de la figure 1. Dans cette figure, une partie 3 n'adhère pas au substrat métallique 6 de l'aube dans une zone 9. Les défauts d'adhérence sont fâcheux car un matériau non-adhérent 12 s'effrite et se détache de l'aube, that is to say does not present any bubbles, or lack of adhesion as is the case of FIG. 1. In this figure, a part 3 does not adhere to the metal substrate 6 of the blade in a zone 9. adhesion are unfortunate because a non-adherent material 12 crumbles and detaches from the dawn,

laissant sans protection le métal de la zone 9. leaving the metal of zone 9 unprotected.

En conséquence, lors de l'application d'un revête- Consequently, when applying a coating

ment formant barrière thermique de protection, il est sou- As a protective thermal barrier, it is often

- 2 - haitable de détecter les zones de défauts d'adhérence du - 2 - to detect the zones of adhesion defects of the

revêtement, c'est-à-dire de mauvaise fixation de celui-ci. coating, that is to say bad fixing thereof.

La présente invention a pour objet un dispositif perfectionné de mesure de l'adhérence d'un revêtement à une The present invention relates to an improved device for measuring the adhesion of a coating to a

S surface.S surface.

La présente invention a pour autre objet un dispo- Another object of the present invention is a provision

sitif perfectionné pour la détection de défaut d'adhérence dans un revêtement formant barrière thermique d'une aube de improved system for the detection of adhesion failure in a thermal barrier coating of a blade of

moteur à turbine à gaz.gas turbine engine.

Dans un mode de réaliasation de la présente inven- In a embodiment of the present invention,

tion, après transfert de chaleur à un matériau stratifié, on tion, after heat transfer to a layered material,

procède à la mesure de différentiels de température à cer- measures temperature differentials at certain

tains endroits du matériau. Un défaut présent dans le stra- parts of the material. A defect present in the strat-

tifié sera révélé par une différence entre la température régnant à l'emplacement du défaut et les températures des will be revealed by a difference between the temperature at the fault location and the

autres endroits.other places.

La suite de la présente description se réfère aux The remainder of this description refers to

figures annexées qui représentent respectivement: annexed figures which respectively represent:

Figure 1, un défaut d'adhérence 12 dans un ma- Figure 1, a lack of adhesion 12 in a machine

tériau feuilleté; -laminated material; -

figure 2, un mode de réalisation de la présente invention; figure 3, le trajet 39 suivi par le faisceau laser 18 de la figure 2 lors du balayage d'une cible 23; figures 4A-4L des courbes de la température en fonction de la position de la cible 23 de la figure 2, les Figure 2, an embodiment of the present invention; Figure 3, the path 39 followed by the laser beam 18 of Figure 2 when scanning a target 23; FIGS. 4A-4L of the curves of the temperature as a function of the position of the target 23 of FIG.

valeurs étant prises à des intervalles de 0,10 secondes. values being taken at intervals of 0.10 seconds.

La figure 2 représente un mode de réalisation de FIG. 2 represents an embodiment of

la présente invention, dans laquelle un laser 15, de préfé- the present invention, in which a laser 15, preferably

rence un laser YAG tel que le modèle n 512Q de la société dite Control Laser Coporation, Orlando, Floride, produit un faisceau laser 18 qui est projeté sur un miroir de balayage 21, lequel réfléchit le faisceau sur une cible 23. On a représenté la cible 23 sous forme d'un bloc, mais celle-ci A YAG laser, such as Model No. 512Q from Control Laser Coporation, Orlando, Florida, produces a laser beam 18 which is projected onto a scanning mirror 21, which reflects the beam onto a target 23. FIG. target 23 as a block but this one

peut être constituée d'une aube de moteur à turbine à gaz. may consist of a gas turbine engine blade.

3- La cible 23 comporte un substrat métallique 6 supportant un revêtement formant barrière thermique de protection 23A. Un radiomètre 24 de balayage aux infrarouges (appelé appareil de photographie aux infrarouges) tel que le modèle n 525 de la société dite Inframetrics, Bedford, MA., est pointé vers la cible 23 de manière à en recevoir l'image. Par suite du mouvement, représenté par les flèches 27, du miroir 21, le The target 23 comprises a metal substrate 6 supporting a protective thermal barrier coating 23A. An infrared scanning radiometer 24 (referred to as an infrared photography apparatus) such as Model No. 525 of the so-called Inframetrics Company, Bedford, Mass., Is pointed at the target 23 so as to receive the image therefrom. As a result of the movement, represented by the arrows 27, of the mirror 21, the

faisceau laser 18 balaie la cible 23. laser beam 18 scans the target 23.

Lorsque le faisceau laser 18 frappe une zone 30 de la figure 1 (ce faisceau n'est pas représenté en figure 1), zone dans laquelle le revêtement formant barrière thermique When the laser beam 18 strikes a zone 30 of FIG. 1 (this beam is not shown in FIG. 1), zone in which the thermal barrier coating

de protection est correctement fixé, ce revêtement s'é- protection is correctly attached, this coating is

chauffe. Cependant, par suite de la bonne adhérence au subs- heated. However, as a result of the good adhesion to

trat métallique 6, il se produit un transfert rapide de la chaleur et la chaleur conférée par le faisceau laser 18 au revêtement est dissipée par le substrat 6. Par contraste, lorsque le faisceau laser 18 frappe la zone 9 présentant un défaut d'adhérence, l'absence d'une bonne fixation dans cette zone empêche un bon transfert de la chaleur jusqu'au substrat 6. Plus précisément, le revêtement -formant barrière thermique de protection, étant constitué d'une céramique de faible coefficient de transfert de la chaleur, a tendance à 6, there is a rapid transfer of heat and the heat imparted by the laser beam 18 to the coating is dissipated by the substrate 6. In contrast, when the laser beam 18 strikes the area 9 exhibiting a lack of adhesion, the absence of a good fixation in this zone prevents a good transfer of the heat to the substrate 6. More specifically, the coating -formant protective thermal barrier, being made of a ceramic with a low coefficient of heat transfer , tends to

conserver la chaleur que lui a conféré le faisceau laser. keep the heat that the laser beam has given it.

Mais, si le revêtement est en contact avec le substrat métallique-6, dont le coefficient de transfert de la chaleur But, if the coating is in contact with the metal substrate-6, whose heat transfer coefficient

est très supérieur (éventuellement de 2 à 3 ordres de gran- is much higher (possibly from 2 to 3 orders of magnitude

-deur), le substrat métallique dissipe alors la chaleur. Le chauffage différentiel de la zone 30 ayant une adhérence correcte par rapport à la zone 9 mal fixée peut être détecté par l'appareil photographique aux infrarouges. On procédera maintenant à la discussion d'un exemple d'une détection de -deur), the metal substrate then dissipates the heat. The differential heating of the zone 30 having good adhesion to the poorly fixed zone 9 can be detected by the infrared camera. We will now proceed to the discussion of an example of a detection of

ce type.this type.

On a réalisé la cible 23 de la figure 2 sous forme Target 23 of FIG.

d'un substrat de 13 cm2 en alliage dit Hastelloy X (L'Has- a 13 cm2 substrate made of an alloy known as Hastelloy X (the

telloy est une marque déposée de la société dite Cabot Cor- telloy is a registered trademark of the so-called Cabot Cor-

-4- poration, Kokomo, Indiana.). Sur le substrat d'une épaisseur de 3,2 mm, on a pulvérisé par plasma sous vide une couche de -- liaison d'une épaisseur de 15 à 20 micronmètres en alliage NiCrAlY, opération qu'on a fait suivre d'un revêtement par pulvérisation par plasma d'oxyde de zirconium (ZrO2) sta- Poration, Kokomo, Indiana.). On the 3.2 mm thick substrate, a NiCrAlY alloy 15- to 20-micronmetre bonding layer was pulverized under vacuum plasma followed by a coating. zirconium oxide (ZrO 2) plasma spray

bilisé avec 8 % d'Yttria (Y203). On a produit artifi- bilized with 8% Yttria (Y203). Artificially produced

ciellement des défauts d'adhérence 33 et 36 (figure 3) en appliquant un inhibiteur de brasage appelé dans l'art du brasage "produit de masquage". Le défaut d'alignement 33 ciellement adhesion defects 33 and 36 (Figure 3) by applying a solder inhibitor called in the art of soldering "masking product". Misalignment 33

avait un diamètre de 6,4 mm et le défaut 36 de 9,5 mm. had a diameter of 6.4 mm and the defect 36 of 9.5 mm.

Le faisceau laser 18 réfléchi par le miroir de balayage 21 de la figure 2 procédait à un balayage suivant la ligne 39 de la figure 3. La taille du point de balayage laser (diamètre du faisceau frappant le revêtement formant barrière thermique de protection) était de 4 mm et le laser fonctionnait à une puissance d'environ 50 watts. Le balayage de la surface du revêtement par le point du faisceau laser The laser beam 18 reflected by the scanning mirror 21 of Fig. 2 scanned along the line 39 of Fig. 3. The size of the laser scan point (beam diameter striking the protective thermal barrier coating) was 4 mm and the laser was operating at a power of about 50 watts. The scanning of the surface of the coating by the point of the laser beam

s'est effectué à une vitesse d'environ 25 mm par seconde. was performed at a speed of about 25 mm per second.

L'appareil photographique 24 de la figure 2 a reçu The camera 24 of Figure 2 has received

une image de la ligne de balayage 39 de la figure 3 et pro- an image of the scanning line 39 of FIG.

duit un tracé 43 sur son appareil de contrôle de sortie 42 (figure 2) de la température du revêtement en fonction de la trace 43 on its output control apparatus 42 (FIG. 2) of the coating temperature as a function of the

position sur la ligne de balayage. Par exemple, la tempéra- position on the scan line. For example, the temperature

ture au point 46 de la figure 2 correspond au point 46A de la figure 3. La courbe obtenue variait avec le temps, comme représenté par les figures 4A-4K. Ces figures illustrent la forme réelle des courbes obtenues aux instants indiqués par Fig. 2 corresponds to point 46A in Fig. 3. The curve obtained varied with time as shown in Figs. 4A-4K. These figures illustrate the actual shape of the curves obtained at the times indicated by

les chiffres portés en abscisse.the figures on the abscissa.

A l'instant t = 0,90 seconde, la courbe ressemble At the instant t = 0.90 seconds, the curve looks

à celle de la figure 4A. Le lecteur remarquera une augmenta- to that of Figure 4A. The reader will notice an increase

tion dans la température, dans la zone 75, à la partie droite de la courbe. Cette augmentation est due au fait que le faisceau du laser de balayage est sur le point d'entrer dans le champ de vision de l'appareil photographique, à temperature in zone 75 at the right side of the curve. This increase is due to the fact that the scanning laser beam is about to enter the field of view of the camera,

partir de la droite. Cet effet est représenté plus claire- from the right. This effect is represented more clearly

-_ 5 _-_ 5 _

ment en figure 4B, o le faisceau laser est entré dans le 4B, where the laser beam has entered the

champ de l'appareil photographique et se trouve approximati- field of the camera and is approximately

vement dans la zone 77. Une augmentation de la température se produit dans cette zone 77. Les figures 4C-4L illustrent les variations de température se produisant lorsque le fais- Zone 77. An increase in temperature occurs in this zone 77. Figures 4C-4L illustrate the temperature changes that occur when the

ceau laser balaie le champ de vision de l'appareil photogra- laser scanner scans the field of view of the camera.

phique, de la droite vers la gauche, le point du faisceau occupant la zone approximative représentée par le cercle en traits discontinus 77. Au moment o le point du faisceau from the right to the left, the point of the beam occupying the approximate area represented by the dashed circle 77. At the point where the beam point

laser quitte le champ de vision, il reste deux pics de cha- laser leaves the field of view, there remain two peaks of

leur 80 en figure 4L. Ces pics correspondent aux défauts d'adhérence 33 et 36 de la figure 3 et se produisent pour their 80 in Figure 4L. These peaks correspond to the adhesion defects 33 and 36 of FIG. 3 and occur for

les raisons discutées précédemment. the reasons discussed previously.

On souhaite souligner les trois points suivants. We wish to underline the following three points.

Tout d'abord, dans la discussion précédente, on a mentionné le chauffage du revêtement formant barrière thermique de protection, opération qu'on a fait suivre de la constatation de l'existence de zones de refroidissement différentielles (c'est-à-dire que la pointe 82 de la figure 4L a un aspect First, in the previous discussion, the heating of the protective thermal barrier coating was mentioned, an operation which was followed by the observation of the existence of differential cooling zones (i.e. that the tip 82 of Figure 4L has an appearance

différent de la zone 85). Cependant, le chauffage du revête- different from 85). However, the heating of the

ment n'est pas indispensable, mais on peut effectuer une opération de refroidissement, par exemple par application d'un gaz froid, qu'on fait suivre par la constation de zone d'échauffement différentiel. Ainsi, la présente invention impose le transfert de chaleur à un système comportant un substrat de revêtement, transfert qu'on fait suivre par la détection de zone ayant des températures différentes. Dans le cas du chauffage du revêtement, le transfert de chaleur serait positif (au sens algébrique du terme); il serait This is not necessary, but a cooling operation can be carried out, for example by applying a cold gas, which is followed by the differential heating zone constellation. Thus, the present invention imposes heat transfer to a system having a coating substrate, which is followed by zone detection having different temperatures. In the case of heating the coating, the heat transfer would be positive (in the algebraic sense of the term); it would be

négatif dans le cas du refroidissement. negative in the case of cooling.

Un transitoire de température est l'historique de A temperature transient is the history of

la température en fonction du temps d'une zone du revête- the temperature as a function of time of an area of the coating

ment. Par exemple, les points 87A-87L en figure 4A-4L repré- is lying. For example, points 87A-87L in Figure 4A-4L represent

sentent un transitoire de température de la zone du revête- feel a temperature spike in the coating area

ment 23A à laquelle ils sont associés. 23A to which they are associated.

- 6 - En second lieu, la discussion précédente a décrit - 6 - Second, the previous discussion described

le chauffage de la cible 23 en utilisant un laser fonction- the heating of the target 23 using a laser function-

nant à une certaine puissance, avec une taille donnée du at a certain power, with a given size of

point du faisceau, et suivant une certaine vitesse de ba- point of the beam, and according to a certain speed of

layage. Etant donné qu'un watt = un Joule/sec., un laser de watts procédant à un balayage avec un point de 0,13 cm2 à une vitesse de 25 mm par seconde, fournit une puissance de 235 Joules par cm2 et par seconde. Ainsi, on peut décrire le chauffage en termes de projection d'une puissance de 235 layage. Since one watt = one Joule / sec., A watt laser scanning at a 0.13 cm2 point at a rate of 25 mm per second provides a power of 235 Joules per cm2 per second. Thus, one can describe the heating in terms of projection of a power of 235

Joules par cm2 par seconde sur le revêtement formant bar- Joules per cm2 per second on the bar-forming coating

rière thermique de protection. On notera que la puissance (c'est-à-dire les Joules par seconde) se mesure au droit du laser, alors que pour la taille du point de balayage et la vitesse de balayage, la mesure est considérée au droit du thermal protection. It should be noted that the power (ie the Joules per second) is measured at the laser law, whereas for the size of the scanning point and the scanning speed, the measurement is considered at the right of the laser.

revêtement. Par conséquent, la description précédente n'en- coating. Consequently, the foregoing description does not

visage pas le rendement du transfert d'énergie entre le face not the efficiency of energy transfer between the

laser et le revêtement, bien que ce rendement soit générale- laser and coating, although this performance is generally

ment assez élevé.quite high.

Ainsi, la discussion précédente a porté sur une comparaison de la température des zones du revêtement qui sont isolées physiquement sur la même ligne de balayage du faisceau laser. Cependant, cela n'a pas besoin d'être le cas. On peut constater la température d'un revêtement dont l'adhérence est correcte et l'utiliser comme référence au Thus, the preceding discussion has focused on a comparison of the temperature of the areas of the coating that are physically isolated on the same scanning line of the laser beam. However, this does not need to be the case. We can see the temperature of a coating whose adhesion is correct and use it as a reference to

lieu d'une zone, telle que la zone 85 de la figure 4L. instead of an area, such as area 85 of Figure 4L.

On vient de décrire une invention o la dissipa- We have just described an invention where the dissipation

tion différentielle de la chaleur entre un revêtement for- differential pressure of heat between a

mant barrière thermique de protection présentant des défauts protective thermal barrier mantle with defects

d'adhérence et un revêtement correctement fixé sert à détec- adhesion and a properly fixed coating is used to detect

ter les parties non adhérentes. On utilise un laser pour chauffer les deux types de zones et emploie un radiomètre de balayage aux infrarouges pour procéder à la mesure de la ter the non-adhering parts. A laser is used to heat both types of zones and uses an infrared scanning radiometer to measure the

température de ces deux types de zone en fonction du temps. temperature of these two types of zone as a function of time.

On a trouver que la température des zones présentant des défauts d'adhérence reste plus élevée pendant une durée -7 f: - 7 =: : mesurable. La présente invention utilise cette découverte It has been found that the temperature of the areas exhibiting adhesion defects remains higher for a measurable time. The present invention uses this discovery

pour la détection des zones non adhérentes. for the detection of non-adherent areas.

De nombreuses variantes et modifications peuvent être apportées sans s'écarter du domaine de la présente S invention. Par exemple, il n'est pas nécessaire d'utiliser un laser pour procéder au chauffage; on peut le remplacer par une source d'air chaud ou une source rayonnant de la Many variations and modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, it is not necessary to use a laser to heat; it can be replaced by a source of hot air or a radiating source of

chaleur. En outre, dans la discussion précédente, on a con- heat. In addition, in the previous discussion,

sidéré le revêtement d'une aube de turbo-moteur. La présente stunned the coating of a turbo-engine dawn. The current

invention n'est pas limitée à la détection des défauts d'ad- invention is not limited to the detection of defects in

hérence dans le seul cas des: aubes, mais permet une telle herence in the only case of: blades, but allows such

détection pour d'autres:composants du moteur. detection for others: engine components.

- En outre, on peut étendre les principes de la présente invention à la détection des défauts d'adhérence en In addition, the principles of the present invention can be extended to the detection of adhesion defects in

général, présents dans n'importe quel matériau stratifié. general, present in any laminate material.

- 8 -- 8 -

Claims

1. A method of detecting the absence of contact between a coating (23A) and a substrate (6), characterized in that it consists of: (a) transferring heat to the coating; (b) measuring coating temperature differentials at selected positions;

(c) compare against a reference of the time

selected temperatures among the measured temperatures.

2. A method for detecting a lack of adhesion between a thermal barrier coating (23A) and a component of a gas turbine engine, characterized in that it consists of:

(a) scanning a laser beam (18) on the coating

to heat the latter; (b) measure the temperature of the coating after

heating using a scanning radiometer at infra-

red (24);

(c) find (42) the existence of a cooling

differential effect of the coating.

3. A method for detecting a lack of adhesion between a coating (23A) forming a protective thermal barrier and a component of a gas turbine engine, characterized in that it consists in: (a) applying the energy to the coating (23A) so as to modify its temperature sufficiently to produce measurable thermal gradients on the surface of the material; (b) cease supplying energy to the coating; (c) controlling the temperature of the coating so as to detect differences in heating rates or

cooling in various areas of the coating.

4. Process according to claim 3, wherein

the heating of the coating is effected by projection of energy

laser (18) on the coating at a rate of about 235

235 Joules per cm per second.

Joules per cm per second.