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Intégration de capteurs à fibre optique par projection
thermique pour des applications de contrôle de
structures intelligentes
Duo Yi
To cite this version:
Duo Yi. Intégration de capteurs à fibre optique par projection thermique pour des applications de
contrôle de structures intelligentes. Matériaux. Université de Technologie de Belfort-Montbeliard,
2016. Français. �NNT : 2016BELF0285�. �tel-01874258�
Thèse de Doctorat
é c o l e d o c t o r a l e s c i e n c e s p o u r l ’ i n g é n i e u r e t m i c r o t e c h n i q u e s
U N I V E R S I T É D E T E C H N O L O G I E B E L F O R T - M O N T B É L I A R D
Intégration de capteurs à fibre optique
par projection thermique pour des
applications de contrôle de structures
intelligentes
Duo YI
Soutenue le 28 janvier 2016
À l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard
Rapporteurs :
Mme Nathalie TRANNOY–ORBAN, Professeur à l’Université de Reims Champagne-Ardennes
M. Yasser ALAYLI, Professeur à l'Université de Versailles Sain-Quentin
Jury :
M. Marc DOUAY, Professeur à l’Université de Lille
M. Michel VARDELLE, Professeur à l’Université de Limoges
M. Bruno SERIO, Co-directeur de thèse, Professeur à l’Université Paris X Paris-Ouest
Nanterre La Défense
M. Pierre PFEIFFER, Co-directeur de thèse, Maître Conférences HDR à l’Université de Strasbourg
Mme Sophie COSTIL, Directrice de thèse, Maître Conférences HDR à l’Université de Technologie de Belfort - Montbéliard
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Remerciements
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au Laboratoire d’Etudes et de Recherches sur les Matériaux et les Propriétés de Surface (IRTES-LERMPS) de l’Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM) et au Laboratoire d’Image, Ingénieur, Informatique (ICUBE) de Télécom Physique Strasbourg sous la direction de Madame Sophie COSTIL, Monsieur Pierre PFEIFFER et Monsieur Bruno SERIO.
Je tiens à remercier Monsieur Ghislain MONTAVON, directeur à l’époque du laboratoire IRTES de m’avoir accueilli au sein de son équipe. Je lui suis reconnaissant de la confiance qu’il m’a accordée pour mener à bien mes recherches.
Cette thèse a été réalisée sous la direction de Madame Sophie COSTIL, Monsieur Pierre PFEIFFER et Monsieur Bruno SERIO qui m’ont soutenu et conseillé tout au long de cette étude. En travaillant avec eux, j’ai appris beaucoup aussi bien sur le plan des connaissances scientifiques que sur un plan relationnel, ces deux aspects étant importants pour mes futurs projets. Je leur suis extrêmement reconnaissant de l’aide technique qu’ils m’ont apportée, toujours empreinte de gentillesse quotidienne.
Je remercie Monsieur Yasser ALAYLI et Madame Nathalie TRANNOY pour avoir accepté de rapporter ce travail. Je remercie également Monsieur Marc DOUAY et Monsieur Michel VARDELLE pour avoir participé au jury.
Je tiens à remercier spécialement Monsieur Rodolphe BOLOT et Monsieur Sylvain LECLER pour leur aide dans les développements numériques exposés dans ce mémoire. J’adresse enfin toute mon amitié aux collègues du laboratoire IRTES - LERMPS et du laboratoire ICUBE - IPP pour leurs encouragements.
Je voudrais terminer ces remerciements par une attention spéciale à mes parents qui se sont montrés particulièrement compréhensifs et patients au cours de ces trois années.
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Résumé:
Ce mémoire présente la modélisation, la simulation, l’expérimentation et la conception d’une structure composite intelligente pour des mesures de haute température (jusqu’à 300 °C). Pour ce faire, une fibre à revêtement métallique, particulièrement résistante pour de tels niveaux thermiques, a été considérée et intégrée au sein d’un revêtement d'alumine. La structure composite intelligente se compose alors du substrat, du dépôt et d’un capteur à fibre optique à modulation d’intensité. Pour mener cette étude, une estimation des flux thermiques basée sur le thermogramme expérimental s’est révélée nécessaire afin d’alimenter un modèle numérique. Différents modèles ont ensuite été construits afin d’évaluer les niveaux de températures atteints en surface ainsi que les niveaux de contraintes au sein même du composite. La simulation a montré que le dépôt pouvait thermiquement être considéré comme une couche mince et que la diffusion de la chaleur au sein du dépôt et du substrat était rapide et pouvait être estimée à l'échelle de la milliseconde. La répartition des contraintes est comme on pouvait s'y attendre dépendante du flux incident mais aussi de la géométrie globale du composite. Les contraintes restent relativement uniformes lors de l'échauffement et durant leur propagation mais s’intensifient après le refroidissement. Il s'avère également que les contraintes résultantes ne sont pas symétriques dans la fibre et sont dépendantes de la position de la fibre par rapport au substrat. Après une phase de modélisation des niveaux thermiques et des contraintes susceptibles d’être atteints au sein du matériau, une phase expérimentale consistant à intégrer une fibre optique non fonctionnalisée dans un dépôt d’alumine a donc été réalisée. Les observations microscopiques en surface et en coupe ont été effectuées afin de vérifier l’intégrité de la fibre intégrée. L’adhérence mécanique des fibres a ensuite été mesurée ainsi que l’atténuation optique pendant le processus d’intégration et le comportement thermique de l’ensemble durant des cyclages thermiques. Enfin, un capteur à fibre optique à modulation d’intensité a été conçu par intégration dans un dépôt céramique réalisé par projection thermique. Un système de mesure de la température a donc été construit et les premiers essais de réponse thermique ainsi que le cyclage thermique du capteur de température ont été effectués et analysés.
En concluision, cette étude démontre la faisabilité d’une structure composite intelligente par intégration d'un capteur à modulation d’intensité à fibre optique dans un dépôt céramique élaboré par projection thermique susceptible de pouvoir travailler jusqu’à des températures de 300 °C.
Mots clés :
structure composite intelligente, capteur à fibre optique intégré, projection thermique, hautes températures, contraintes5
Abstract:
This paper presents the modeling, simulation, experimentation and design of a smart composite structrure for high temperature measurements (up to 300 °C). In order to achieve this goal, a high temperature resistant metal coated optical fiber was considered and integrated into alumina coating. The smart composite structure consists of a substrate, a coating and an intensity modulated optical fiber temperature sensor. Firstly, an estimation of heat flux based on a experimental thermogram was firstly carried out in order to feed a numerical modeling. Then, different modelings were built to evaluate the surface temperature levels as well as the composite stress levels. The simulation showed that the composite (substrate and coating) could be considered as a thermally thin medium, the heat propagation within the composite was fast and could be estimated at a scale of millisecond. The stresses remained relatively uniform during the heating process but intensified during the cooling process. The modeling also showed that the stresses are not symmetrical in the fiber and depend on the position of the fiber relative to the substrate. After a modeling evaluation of the thermal levels as well as the stresses that may be achieved in the composite, an experimental step integrating a optical fiber into a thermal coating was carried out. Microscopic observation of surface and cross section were conducted in order to analyze the characteristics of the integrated fiber. The mechanical strength of the integrated fiber was then measured and the optical attenuation during the integration process as well as the thermal behavior of the integrated fiber during the thermal cycling were evaluated. Finally, an intensity modulated optical fiber temperature sensor was designed and integrated into ceramic coating by thermal spraying. A temperature measuring system was designed and the first tests of the thermal response as well as thermal cycling of temperature sensor were carried out.
This study demonstrates the feasibility of designing a high temperature resistant smart composite structure by integrating an intensity modulated optical fiber temperature sensor in a ceramic coating elaborated by thermal spraying.
Key words :
smart composite structure, integrated optical fiber sensor, thermal spray, high temperature, stress6
Sommaire
Résumé: ... 4
Abstract: ... 5
Introduction générale ... 9
Chapitre I. Etat de l'art: de la projection au matériau instrumenté ... 13
I.1. Les matériaux composites sensibilisés par intégration de capteurs ... 14
I.1.1 Contrôle du processus d’élaboration et optimisation des conditions de traitement ... 14
I.1.2 Systèmes de surveillance de santé structurale et applications industrielles ... 15
I.2. Procédés d’élaboration de capteurs in situ pour des applications en environnements hostiles
... 17
I.3. Capteurs et instrumentation en projection thermique : objectifs des capteurs thermiques et
de contraintes ... 22
I.3.1 Besoins de contrôler la température et les contraintes en projection thermique et le suivi en service des revêtements ... 22
I.3.2 Processus d’élaboration des revêtements ... 26
I.3.3 Analyses des différentes sources d’énergie atteignant la surface de l’échantillon durant projection thermique ... 27
I.3.4Avantages des capteurs à fibres optiques pour des applications en environnement hostile ... 29
I. 4 Principes des capteurs de température et de contrainte par fibre optique ... 29
I.4.1 Structure de la fibre optique ... 30
I.4.2 Les capteurs à fibre optique ... 31
I.4.3 Classification des capteurs à fibre optique ... 31
I.4.4 Synthèse : comparaison des principaux types de capteurs à fibre optique ... 39
I.5. Procédés d’élaboration des capteurs in situ ... 40
I.5.1 Sélection d’un procédé d’élaboration... 40
I.5.2 Sélection du matériau d’immersion de la fibre ... 41
I.6 Conclusion ... 43
Chapitre II : Modélisation et simulations numériques des variations de propriétés thermiques et
mécaniques de fibres optiques intégrées dans des dépôts céramiques ... 44
II.0 Introduction ... 45
II.1 Modélisation de la réponse thermique du système composé d’un revêtement d’alumine
déposé sur un substrat en aluminium ... 46
II.1.0 Contexte ... 46
II.1.1 Définition du problème de conduction de chaleur monodimensionnel pour un milieu bicouche soumis à un flux de chaleur et refroidi par convection forcée ... 48
II.1.2 Méthode de caractérisation des systèmes thermiques thermiquement minces instationnaire ... 53
II.1.3 Conception du calorimètre mince pour la mesure de flux par intégration de micro-thermocouples à fils fins au sein d’un dépôt ... 58
II.1.4 Résultats et analyses ... 61
II.2 Modélisation pour la simulation du champ de contraintes thermomécaniques au sein du
dépôt pendant et après son élaboration ... 65
7
II.2.1 Définition des modèles 2D et 3D ... 66
II.2.2 Description des zones caractéristiques analysées ... 71
II.2.3 Résultats et analyses ... 72
II-3. Conclusion ... 90
Chapitre III : Procédés d’intégration d’une fibre optique dans un dépôt céramique élaboré par
projection flamme ... 92
III.0 Introduction ... 93
III.1 Les matériaux considérés ... 93
III.2 Conditions d’intégration ... 93
III.3 Moyens de caractérisations de la fibre dans le dépôt ... 97
III.3.1 Caractérisation en surface/en coupe de la fibre dans le dépôt ... 97
III.3.2 Mesures de l’adhérence de la fibre dans le dépôt ... 98
III.3.3 Mesures de la fluctuation optique au cours du processus de projection ... 99
III.3.4 Evaluation de la tenue en service de la fibre enterrée par cyclage thermique ... 101
III.4. Résultats et analyses ... 102
III.4.1 Résultats obtenus pour l’insertion d’une fibre optique au sein d’un revêtement ... 102
III.4.2 Résultats de l’adhérence de la fibre dans le dépôt ... 107
III.4.3 Résultats de la fluctuation optique au cours du processus d’élaboration ... 109
III.4.4 Cycles de fatigue thermique d’une fibre enterrée ... 113
Chapitre IV : Intégration par projection d’un capteur à fibre optique... 116
IV.0. Introduction ... 117
IV.1. Conception, fabrication et étalonnage d’un four pour étudier des cycles de chauffage en
fatigue ... 117
IV.1.1 Principe du four ... 117
IV.1.2 Caractérisation du four ... 119
IV.2 Etalonnage du thermocouple ... 122
IV.3 Capteur de température à fibre optique intégrée ... 125
IV.3.1 Principe du capteur intégré à modulation d’intensité ... 125
IV.3.2 Fabrication du capteur ... 127
IV.3.3 Dispositif expérimental pour les essais thermiques ... 128
IV.3.4 Procédures expérimentales pour la réalisation des tests de validation du capteur ... 129
IV.3.5 Résultats et analyses ... 130
IV.4 Modélisation des déformations d’un capteur à modulation d’intensité intégré dans un
revêtement céramique ... 135
IV.4.1 Définition du modèle ... 135
IV.4.2 Analyses des déformations calculées ... 138
IV.5. Conclusion ... 142
Conclusion générale ... 143
Perspectives ... 146
Références ... 148
8
Annexe-II : Caractérisations du four ... 154
Annexe-III : Publication et communications ... 158
9
Introduction générale
De nombreux processus de fabrication, tels que la fabrication additive et en particulier la projection thermique, mettent en œuvre des flux thermiques élevés qui engendrent des contraintes importantes dans les matériaux, même si les paramètres d'élaboration ont été optimisés. Les performances des produits ne sont donc pas uniformes. Néanmoins, il est possible de réduire la divergence en production par un contrôle du processus d’élaboration et d'ajuster les paramètres opérationnels en temps réel. Le contrôle du processus permet de réduire les défaillances, d'améliorer la qualité du produit et de garantir la répétabilité du processus. Il permet également d’élaborer le produit selon un cahier de charges spécifique. En général, l’optimisation passe par la connaissance et la mesure du flux thermique et de fait de la température des matériaux constituants. Les capteurs intégrés dans le volume peuvent par ce biais contribuer à la mesure des paramètres physiques et ainsi permettre une optimisation des conditions d’élaboration.
De nombreux systèmes et structures, tels que les systèmes avioniques, les véhicules spatiaux, les infrastructures civiles, les installations nucléaires, et les machines d’exploitation minière, sont conçus pour le long terme et nécessitent de fait des opérations d’entretien périodique et/ou de remplacement pour garantir leur sécurité et leur fiabilité. La Surveillance de Santé Structurale est un système proactif pour identifier les manques et suivre les conditions de santé des structures mécaniques. Elle fournit des informations quant à l’entretien et au remplacement des différentes pièces de façon à pouvoir anticiper sur une quelconque défaillance. La surveillance et la maintenance des systèmes et des structures mécaniques sont effectuées par inspections visuelles et essais mais avec un coût conséquent. Inversement, l’utilisation de capteurs in situ permet la surveillance continue d’un système ou d’une structure avec une intervention humaine minime et sans interruption de fonctionnement.
Le capteur in situ est un transducteur dont l’objectif est de mesurer des grandeurs physiques caractéristiques d'une structure. A cette fin, différents types de capteurs sont nécessaires comme des capteurs mécaniques, thermiques, électriques chimiques ou biologiques etc. D’une façon générale, les capteurs de température et de contraintes sont très répandus. Même si les principes physiques de réalisation de ces capteurs sont relativement bien connus, leur intégration dans des structures fonctionnant à haute température reste encore aujourd’hui un défi.
En effet, de nombreux capteurs in situ ont été développés. Mais leur intégration dans des applications en sciences des matériaux s'est opérée lentement en particulier dans les domaines mécaniques et thermiques. Les technologies de projection thermique se sont développées très rapidement ces dernières années pour les applications de résistance à l’érosion, la corrosion, l’usure, la température etc. Largement utilisées pour la fabrication de divers revêtements multicouches denses avec une certaine fiabilité (particulièrement vrai pour les revêtements céramique) ces derniers peuvent alors fournir une protection durable avec une résistance à haute température pour des conditions d’élaboration optimales. Compte tenu des différents procédés de projection thermique, les différents niveaux de température pendant le procédé d’élaboration est un paramètre fondamental qui affecte considérablement les performances, la durée de vie et la qualité du revêtement comme par exemple,
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sa porosité ou sa dureté. A titre d’exemple, les recherches ont démontré que la température du substrat joue un rôle important sur la morphologie des lamelles et ainsi sur les propriétés thermique et mécanique du revêtement. La température des particules en vol influence également la formation des lamelles et ainsi la microstructure du revêtement. Pour terminer, le gradient de température de l'ensemble revêtement-substrat produit les contraintes résiduelles dans le dépôt. En résumé, de nouveaux capteurs susceptibles de pouvoir détecter in situ de telles informations de température s’avèrent nécessaires et instructifs.
Innovants, les capteurs à fibre optique sont largement utilisés pour de nombreuses applications industrielles, aéronautiques et militaires etc. Initialement utilisés dans certains domaines liés à la défense et l’aérospatial, le développement de capteurs à fibre optique pourrait déboucher par la suite à la fabrication et à la commercialisation à grande échelle pour des applications telles que l’industrie automobile, le médical et le multimédia qui doivent fonctionner dans des environnements hostiles. Compte tenu de ces nombreuses difficultés et autres contraintes d’utilisation et de mesures, le capteur à fibre optique présente des caractéristiques intéressantes. Par exemple, il est insensible aux perturbations électromagnétiques, son mode de fonctionnement est passif et il n’a pas besoin d’alimentation supplémentaire pour son fonctionnement de routine. De plus, le capteur à fibre optique peut facilement être construit en réseau ou en série afin de réaliser une détection in situ et multiplexée. Les autres avantages incluent la petite taille de la fibre, un faible coût, etc. Ainsi, le capteur à fibre optique peut être considéré comme un excellent candidat pour les applications d’intégration constituant les matériaux intelligents.
Selon le mécanisme de modulation, les capteurs à fibre optique implémentent la modulation d’intensité, la modulation de phase, la modulation d’onde ainsi que la modulation de polarisation optique. Les capteurs à fibres optiques tels que les capteurs à réseaux de Bragg sont largement utilisés dans des applications industrielles et militaires. Ils peuvent réaliser des mesures à haute température avec une haute sensibilité et une grande précision. Cependant, ils peuvent faire appel à des techniques de démodulation complexes et onéreuses. Parmi les techniques de démodulation citées, le capteur à fibre optique à modulation d’intensité possède de nombreux avantages en raison de son faible coût, sa structure et son principe plus simples. En revanche, son intégration dans un volume peut s'avérer plus fastidieuse. Jusqu’à présent, ce type de capteur est principalement utilisé pour des mesures de déplacement et il y a peu d'applications de détection de température compte tenu de sa faible
sensibilité à la variation de température (coefficient de dilatation thermique : 5,5 × 10−7 /°𝐶 , coefficient de
thermo-optique : 10−5 /°𝐶). Seul un capteur interférométrique permet de d'exploiter la sensibilité de la fibre à la
température. Son exploitation dans ce cas est particulièrement délicate, car un des bras doit être isolé complètement de la source de température ce qui est très difficile à réaliser. De ce fait, le capteur à modulation d’intensité doit être adapté afin de réaliser une détection de température.
Ainsi, il est possible de réaliser la détection de la température et de contraintes pendant la projection thermique par intégration d'un capteur à fibre optique dans le dépôt. Néanmoins, le processus d’intégration est un processus délicat. Les expériences précédentes ont montré que les particules à haute température et très énergétiques, ainsi que le fort flux du jet pendant la projection thermique peuvent facilement conduire à la rupture de la fibre pendant son processus d’intégration. Concernant les fibres, différentes natures existent sur le
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marché comme les fibres à revêtement métallique, plus résistantes à la température. En effet, comme couche protectrice, le revêtement métallique empêche la pénétration de l’humidité, présente une résistance aux rayonnements et aux microfissures. De plus, une bonne tenue en température peut être constatée dès lors qu’elles supportent des températures jusqu’à 450 °C et sur une durée courte des températures jusqu’à 600 °C. Enfin, une résistance de pression supérieure à 500 KPSI peut être mesurée lors de tests d'élongation. Cependant, il faut souligner que le revêtement métallique de la fibre est généralement formé à haute température pouvant induire alors une contrainte naturelle au cours du processus de refroidissement. Lors de l’intégration de la fibre au sein d’un revêtement élaboré par projection thermique, de nouvelles contraintes peuvent être générées. Considérant la différence du coefficient de dilatation thermique entre la fibre, le dépôt et le substrat, une contrainte thermique peut se rajouter au système. De plus, les particules fondues et projetées à haute vitesse sur la surface du substrat peuvent rajouter des contraintes de trempe. Ces deux genres de contraintes cumulées à la contrainte naturellement présente au sein de la fibre, peuvent alors induire des contraintes de traction, de compression ou même dégrader la fibre. De telles variations au sein du matériau conduisent quoiqu’il en soit à la variation de l’indice réfraction de la fibre, cette variation pouvant influencer les conditions de réflexion totale et de transmission optique. C’est pourquoi, un modèle numérique doit être construit pour évaluer les niveaux de température et de contrainte en surface de la pièce. Pour ce faire, une estimation des flux thermiques s’est révélée nécessaire afin d’alimenter le modèle numérique. Les travaux d’intégration d'une fibre optique dans des dépôts pour former des structures intelligentes sont relativement rares en particulier pour la mesure de températures dépassant les 200°C ce qui justifie justement ce travail.
Cette étude, a comme objectif la réalisation d'une structure intelligente par intégration d'un capteur à fibre optique dans un dépôt céramique élaboré par projection thermique. Son développement s’est fait en quatre étapes :
Le premier chapitre commence par une étude bibliographique des capteurs in situ pour les applications en environnement hostile. Cinq parties structurent une telle étude. Après une présentation des applications des capteurs, les procédés d’élaboration de capteurs enterrés pour des applications en environnements hostiles sont illustrés. Ensuite, les intérêts des capteurs thermiques pour les applications de la projection thermique sont développés. Le capteur à fibre optique est choisi et ses avantages sont illustrés à l’issue d’un état de l’art de ce type d’outils. Enfin, les moyens d’élaboration de tels capteurs in situ par projection thermique (le choix du procédé thermique, le choix du matériau de dépôt etc.) sont introduits.
Fort de ces contraintes d’élaboration, nous proposons au deuxième chapitre de développer une méthode originale capable de quantifier les flux globaux (thermique et de refroidissement) cédés lors du processus d’élaboration. Un modèle bicouche monodimensionnel a été élaboré afin d’évaluer la réponse dynamique en température lorsque le système est soumis à un flux de chaleur suivi d’un refroidissement par convection forcée. Le flux de chaleur global incident ainsi que le coefficient de convection ont été calculés et les thermogrammes théoriques et expérimentaux ont été comparés. Le profil de température dans une direction perpendiculaire à la surface d’entrée a donc pu être calculé. Le modèle à capacité thermique variable et le modèle à capacité thermique constante ont été comparés. Ensuite, deux modèles sous COMSOL ont été effectués afin d’évaluer le
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niveau de température et de contraintes de la structure composite. En premier lieu, un modèle 3D du composite comprenant le substrat et le dépôt a été construit afin de comparer l’évolution de température avec le thermogramme expérimental au cours de la projection thermique. Les distributions de contraintes au sein du dépôt en fin des processus de chauffage et de refroidissement ont donc été calculées pour une géométrie de pièce donnée. Deuxièmement, un modèle 2D du composite comprenant le substrat, le revêtement avec une fibre optique en coupe a été considéré afin d’évaluer la distribution de contraintes au sein de la fibre. Des comparaisons de paramètres (coefficient de convection, mode de fixation du substrat, positions d’immersion de la fibre) ont alors été effectuées, afin d’optimiser les conditions d’élaboration du capteur intégré.
Dans le troisième chapitre, après une phase de modélisation des niveaux thermiques et des contraintes susceptibles d’être atteints au sein du matériau, une phase expérimentale consistant à intégrer une fibre optique non fonctionnalisée dans un dépôt thermique a été réalisée. L’énergie thermique du procédé flamme étant moins élevée qu’avec le procédé plasma, c’est donc la flamme oxydo-acétylénique qui a été retenue pour les essais expérimentaux. Dans un premier temps nous avons développé un montage mécanique capable de maintenir la fibre en place sans qu'elle subisse de déformation durant l'intégration. De plus le système mécanique doit garantir le maintien de la fibre en présence de fortes turbulences atmosphériques causées par le flux de chaleur. Deux types de fibres enrobées d’un revêtement métallique et polymère ont été choisis pour l’intégration. Les observations microscopiques en surface et en coupe ont été faites afin d’analyser les caractéristiques de la fibre intégrée. La porosité de cette structure hybride a été analysée et l’adhérence mécanique des fibres intégrées a été mesurée. Enfin, l’atténuation de la fibre optique pendant le processus d’intégration a été analysé pour terminer par des essais de cyclage thermique.
Dans le quatrième chapitre, après l’intégration d’une fibre optique non fonctionnalisée, un capteur de température à fibre optique a été intégré dans un dépôt céramique pour les mesures de haute température. Un ensemble d'expériences a donc été conduit. Dans un premier temps un micro four adapté à la caractérisation du capteur à haute température a été fabriqué. Ce four a également été calibré avec un thermocouple qu'il a fallu étalonner et qui nous servira de température de référence. Finalement, les essais de réponse thermique statique du capteur de température ont été réalisés afin d'établir la relation entre la variation de puissance optique du capteur et le changement de température. Les premiers essais de cyclage thermique du capteur ont été également menés. Dans la deuxième étape, un modèle 3D qui se compose du substrat, du dépôt et du capteur à fibre optique a été construit sous COMSOL afin d’évaluer les déplacements et les contraintes de la fibre intégrée durant un processus de chauffage. Les résultats de déformations de la fibre en fin de chauffage ont enfin été comparés avec les résultats expérimentaux. Enfin, les conclusions et les perspectives attendues des travaux ont été présentées.
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I.1. Les matériaux composites sensibilisés par intégration de capteurs
I.1.1 Contrôle du processus d’élaboration et optimisation des conditions de traitement
De nombreux processus de fabrication, tels que la fabrication additive (fusion sélective par laser, frittage sélectif par laser, impression 3D, dépôt de fil tendu ou, la projection thermique), mettent en œuvre des flux thermiques élevés et des niveaux de contrainte importants [1], [2]. Le processus d’élaboration est complexe et il est influencé par de nombreuses conditions internes et externes pouvant entraîner des variations significatives des points de vue de la répétabilité du processus et de la qualité du produit. Par conséquent, même si les paramètres de fonctionnement du procédé sont maintenus identiques, les performances du produit peuvent varier. En revanche, il a été montré que, même si ces changements de performances se produisent, il est possible de diminuer les erreurs par contrôle du processus d’élaboration et par ajustement des paramètres d’opération en temps réel. Ainsi, la première motivation pour le développement du contrôle in situ du processus d’élaboration est de réduire les défaillances, améliorer la qualité du produit et augmenter la répétabilité du processus d’élaboration [3]. En outre, le contrôle du procédé permet également d’élaborer des produits spécialisés selon des critères de performance et de qualité spécifiques. Lorsque l’automatisation des opérations de production à haut volume est alors mise en œuvre, la nécessité du contrôle in situ du processus d’élaboration devient plus évidente.
Une autre motivation pour développer le contrôle du processus d’élaboration réside dans la possibilité qu’il offre pour l’optimisation des conditions de traitement et donc des paramètres d’élaboration [4]. Traditionnellement, les caractérisations des produits sont principalement effectuées à postériori, car le contrôle direct du procédé durant le processus d’élaboration est souvent impossible. En revanche, de plus en plus d'applications nécessitent la mesure des paramètres en temps réel particulièrement en environnements hostiles (haute température, haute pression, milieu corrosif, érosion) afin d’éviter la dégradation des produits fabriqués. C’est pourquoi, la demande de capteurs in situ fonctionnant dans des environnements sévères devient de plus en plus accrue.
Plutôt qu’une approche traditionnelle de la définition des variables opérationnelles et ainsi que le contrôle du produit après son élaboration, le contrôle in situ permet de suivre directement le processus, en ajustant les paramètres en temps réel. Il permet l’ajustement direct des paramètres facilement observables et variables en fonction du temps. Le système de contrôle du processus est généralement effectué en boucle ouverte ou en boucle fermée. La boucle ouverte utilise des signaux d’entrée qui sont soit empiriques, soit dérivés du modèle théorique pour initier le processus. Les applications en boucle ouverte sont limitées car il n’y a pas de correction des erreurs liées à des changements ou à d’autres perturbations pendant le processus. La boucle fermée représentée en figure I-1, utilise une boucle de contre-réaction pour comparer la grandeur de sortie du processus à celle du signal d’entrée du dispositif de commande de correction ou de compensation. De cette manière, la rétroaction peut prendre des mesures correctives dans le cas d’une variation du processus et peut corriger
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automatiquement les paramètres pour atteindre les résultats souhaités. Dans le cas d’un système de régulation en boucle fermée, l'asservissement du processus se fait à partir du signal de sortie. C'est dans cette optique que les capteurs in situ doivent être développés.
Figure I-1: Schéma d’un système de commande basé sur la rétroaction en boucle fermée [5]
Les capteurs in situ sont largement déployés dans l’industrie pour le contrôle des processus d’élaboration et l’optimisation des conditions de traitement [6]–[8]. Par exemple, de nombreuses installations dans le domaine aérospatiale [9] remarquables par leurs dimensions et leur complexité font appel à des procédés chimiques fortement agressifs. Comme leur contrôle est difficile, elles fonctionnent à la limite de leurs performances. Les méthodes de contrôle traditionnelles ne traitent pas l’interaction et ne permettent d’optimiser le processus. C’est pourquoi, l’usage de capteurs in situ dans ces conditions peut permettre le contrôle du système et d’aboutir à diverses améliorations d’un point de vue état d’équilibre, efficacité dynamique, et productivité. Dans le cas d'un moteur à combustion par exemple, le capteur offrant aussi la possibilité du control intégré du gaz combustible peut aussi être placé directement à l’intérieur du tuyau d’échappement et permettre le control du rapport gaz combustible/air en environnement hostile. Enfin, d’autres exemples de capteurs in situ peuvent également être évoqués en environnement minier pour le control d’opérations à distance et de façon autonome [10].
I.1.2 Systèmes de surveillance de santé structurale et applications industrielles
De nombreux systèmes et structures, tels que dans les domaines de l’aviation, de l’aéronautique (véhicules aérospatiaux), des infrastructures civiles, nucléaires ou des machines d’exploitation minière, sont conçus pour le long terme et nécessitent de fait des opérations d’entretien périodique et/ou de remplacement pour garantir leur sécurité et leur fiabilité. De telles notions sont essentielles dans ces applications pour éviter toute perte et autres accidents graves [11],[12], [13].
Ainsi, la surveillance de santé structurale doit être envisagée avec un système proactif pour identifier les manques, suivre les conditions de santé des différentes structures mécaniques pour assurer une contre-réaction efficace. Enfin, elle fournit des informations quant à l’entretien et au remplacement des différentes pièces de façon à pouvoir anticiper sur une quelconque défaillance [11].
Pour ce faire, la surveillance et la maintenance des systèmes et des structures mécaniques peuvent s’opérer par inspections visuelles et essais mais représentent un coût. Inversement, l’utilisation de capteurs in situ permet
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la surveillance continue d’un système ou d’une structure avec une intervention humaine minime et sans interruption de fonctionnement [14], [15]. Elle élimine ainsi la nécessité de démontage et les potentiels endommagements pendant les opérations d’entretien.
L’association des capteurs avec les technologies de la microélectronique, micro-électro-mécanique et nanotechnologie est devenue prometteuse pour la surveillance de santé structurale [16]. Ces capteurs in situ offrent en effet une capacité de détection étendue avec une flexibilité accrue pour des applications de surveillance. En outre, l’utilisation des technologies de communication telles que les réseaux sans fils offre la possibilité de développer des systèmes de gestion et de maintenance automatique de plus en plus souple[17].
Ainsi, compte tenu de ces nombreux avantages, plusieurs secteurs industriels sont concernés aujourd’hui par de telles applications. Ils visent principalement les systèmes mécaniques et microélectroniques et s’appuient sur différents principes physique en fonction de la détection visée et de l’environnement de mesure.
La surveillance de la santé structurale a été utilisée dans des systèmes mécaniques pour assurer le fonctionnement et le suivi en service en toute sécurité d’ensembles tels que les moteurs pour la propulsion de véhicules, les structures d’aéronefs et aussi, les systèmes de suspension de chemin de fer [11], [13], [15]. Très largement développée, cette surveillance permet aujourd’hui de limiter et d’éviter de nombreuses défaillances mécaniques (fatigue, usure, fluage et corrosion) fondé sur un suivi constant et une détection amont. De nombreux systèmes de mesures permettent de telles détections selon l’environnement et le type de sollicitations. Parmi les plus récurrents, on identifie la surveillance de santé structurale des systèmes mécaniques comme l’illustre le Tableau 1.
Tableau I-1. Exemples d’applications de la surveillance de santé structuralede systèmes mécaniques[11] Moteur à jet de combustion et autres turbomachines
1. Propagation de fissures dans les disques et les aubes de turbines liés à l’impact (détection de crack). 2. Vibrations des pales de rotor, accumulation de fatigue, détection de dommages d’objets étrangers,
décrochage (Détection capacitive, courants de Foucault, infrarouge, optique/laser, micro/millimètre, vague).
3. Déformation structurelle statique et dynamique dans un environnement à haute température. (Jauge de déformation céramique).
Structures d’aéronefs
1. Propagation de fissures et prédiction de la durée de vie (émission acoustique et mesure du cycle de fatigue).
2. Détection de défaut de la tête du rotor et prédiction de durée de vie. (émission acoustique et mesure du cycle de fatigue).
3. Surveillance de corrosion (détection électronique, capteur à fibre optique).
4. Dégâts structurels (accéléromètre à fibre optique et de déplacement, ultrasons, émission acoustique). 5. Dommage et fatigue de structure composite (détection piézoélectrique).
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1. Surveillance de déformation (détection inertielle)
Dans le domaine de la microélectronique, la détection et le suivi par l’utilisation de capteurs in situ est une application plus récente [16]. Outre la réalisation de capteurs pour fiabiliser des circuits imprimés, de telles applications restent encore aujourd’hui au stade du développement. Les effets d’échelle (micrométrique, nanométrique) complexifient en effet de tels moyens de détection et de mesure. De plus, à la fiabilité du matériel se rajoute aussi la problématique de fiabilité des logiciels de mesures ou de contrôles qu’il est difficile de garantir. C’est pourquoi, les capteurs in situ des dispositifs électroniques seront probablement utilisés plus pour réduire le coût de maintenance et le remplacement que pour améliorer la fiabilité.
Les paramètres qui sont surveillés dans le système de surveillance de santé structurale peuvent généralement être distingués entre ceux qui peuvent définir les défaillances des systèmes et ceux qui ne le peuvent pas [11]. Une longueur de fissure dans des structures d’aéronefs est un exemple de première catégorie susceptible de fournir une indication quant à l’état de santé et de fiabilité du système. Les paramètres de deuxième catégorie quant à eux sont plus généralement des paramètres liés à l’environnement tels que la température, l’humidité, les vibrations et les radiations. Les technologies alors utilisées sont spécifiques à l’application et peuvent présenter plusieurs options de sélection du dispositif de surveillance.
Deux modalités de surveillance apparaissent selon les paramètres contrôlés (mesures par tests ou par le suivi des défaillances) [11]. Le système basé sur les tests nécessite la mesure ou la surveillance des paramètres qui peuvent être utilisés pour définir les échecs. Avec cette méthode, l’état de santé d’un système peut être déterminé en comparant les résultats du test en fonction des critères de défaillance définis par les exigences de fiabilité. La consommation de vie et/ou la prédiction de vie peuvent être obtenues alors par extrapolation des données d’essai au point de rupture défini. Cependant, dans les conditions réelles de systèmes complexes, la définition des indicateurs de défaillance peut être parfois difficile. Les paramètres à surveiller ne sont pas suffisamment sensibles pour assurer une surveillance efficace et éviter ainsi la perte du produit. Une telle approche est basée sur les mesures de défaillances.
I.2. Procédés d’élaboration de capteurs in situ pour des applications en environnements hostiles
Au cours de cette dernière décennie, les secteurs industriels tels que ceux de la production d’électricité, du pétrole ou du gaz ont vu accroître les demandes de réduction des coûts de production, d’économies de carburant, ou encore d’accroissement d’efficacité et de durée de vie. En conséquence, une plus grande fiabilité avec des performances optimisées est devenue le principal moteur du développement de ces secteurs. Cependant, l’optimisation des performances des machines nécessite la mesure et/ou le suivi des paramètres de fonctionnement souvent dans des environnements difficiles tels que les milieux à haute température, haute pression ou les deux cas [7], [18]. Par conséquent, le développement de capteurs pour une utilisation dans des environnements sévères est devenu primordial. Néanmoins, la plupart des capteurs, sont incapables pour l’instant de fonctionner dans de telles conditions particulièrement sous atmosphère corrosive, justifiant ainsi de nouveaux développements. Les techniques de mesure peuvent varier considérablement en fonction des paramètres
18
souhaités. Cependant, toutes partagent des limitations de fonctionnement sous conditions d’environnement sévère à long terme [19], [20].
En général, le capteur in situ est un transducteur dont l’objectif est de détecter certaines caractéristiques de l’environnement [21]. Il détecte quantitativement des événements ou des évolutions et fournit en réponse un signal généralement sous forme électrique ou optique [22].
En fonction de leurs propriétés, les capteurs in situ peuvent être classifiés en sous-groupes selon le type de l’application visée à savoir en mécanique, thermique, électrique, chimique ou biologique par exemples. Les applications typiques de ces capteurs sont la mesure de contrainte, de pression, de déformation, d’accélération, et enfin de température. Parmi ceux-ci, les mesures de température et de contrainte constituent des applications majeures dont les développements sont aujourd’hui relativement matures.
Entre les capteurs de température, on distingue les capteurs avec contact de ceux sans contacts [23]. Les couples thermoélectriques réalisés par soudure de deux fils conducteurs de natures différentes et les sondes à résistance sont les capteurs de températures les plus communs pour les applications en mesure de température par contact. Ils doivent être au contact de l’objet à mesurer ce qui nécessite une correction de mesure. Ils ont l’avantage d’être peu coûteux mais ont l’inconvénient d’avoir des temps de réponse relativement grands lorsqu’ils ne sont pas miniaturisés. En revanche, les capteurs sans contact (tels que les pyromètres infrarouges par exemple) mesurent le rayonnement IR émis par la cible dans une bande de longueur d’onde étroite lorsqu’ils sont dit monochromatique ou sur en bande infrarouge large lorsqu’ils sont dits à radiation totale. Ils offrent une réponse rapide (de quelques centaines de µs à la ms) et sont de fait, couramment utilisés pour mesurer des cibles mobiles. Les mesures peuvent être réalisées aussi pour des objets physiquement inaccessibles. De plus, les mesures de températures élevées (supérieure à 1300 °C) [24] ne présentent aucun problème contrairement aux capteurs par contact (mesures impossibles ou durée de vie trop courte). Enfin, ils sont non-intrusifs et n’influence pas la température de l’objet à mesurer. De plus, il n’y a pas de risque de contamination et aucun effet mécanique sur la surface de l’objet, mais le coût de ces méthodes de mesure est relativement élevé.
Principe de fonctionnement du pyromètre infrarouge à radiation totale
Selon la loi de Stephan Boltzmann [25], l’énergie de rayonnement intégrée sur l’ensemble du spectre émise par un corps noir ou par un corps gris est proportionnelle à la puissance quatre de leurs température. L’émittance énergétique d’un corps gris d’émissivité 𝜀 est donnée par la relation suivante :
𝑗 = 𝜀𝜎𝑇4 (I-1)
𝑗 : Emittance énergétique du corps (W/m2)
𝜀 : Émissivité de l’objet
𝜎 ∶ Constant de Stefan-Boltzmann T : Température de l’objet
Cette relation est la base du principe du pyromètre infrarouge à radiation totale. Ainsi, lorsque le coefficient d’émissivité est fixé, la température de la surface d’un objet peut être obtenue par calcul de la racine quatrième
19
de l’énergie du rayonnement infrarouge basée sur l’expression (I-1). La figure I-3 montre une représentation simplifiée d’un pyromètre visant la surface d’un objet à travers un gaz chaud. Des corrections non expliquées ici sont à faire pour tenir compte de l’énergie émise par l’environnement et perçue par le pyromètre. Le détecteur thermique ou quantique suivant le cas, converti l’énergie collectée par une optique infrarouge en un signal électrique qui après prise en compte des corrections d’émissivité et éventuellement du fond est converti en température, puis enregistré.
Figure I-3. Système de mesure en pyromètre infrarouge
Principe de fonctionnement du thermocouple
Avec les sondes à résistance, les thermocouples sont les plus utilisés pour la mesure des températures. Ils sont largement employés dans l’industrie et ils sont parfois employés pour des applications sous conditions d’environnement sévère comme pour la mesure de la température dans les fours, les tuyères d’échappement des turbines à gaz, les moteurs diesel et d’autres procédés industriels [26]. Les thermocouples normalisés sont peu coûteux, interchangeables, et ils peuvent mesurer la température sur une large plage de températures suivant le modèle [27], [28]. Contrairement à la plupart des autres méthodes de mesure, les thermocouples sont des capteurs actifs qui ne nécessitent pas un circuit d’alimentation électrique. Ils délivrent une force électromotrice, parfois amplifiée avant d’être mesurée avec un voltmètre. Leur principale limitation est néanmoins leur précision de mesure quantifiée dans des tables entre 1% et 3% en général.
Pour la détermination de la température, le thermocouple utilise l'effet Seebeck [29]. Comme représenté figure I-4, un thermocouple est constitué de deux fils de métaux différents, soudés à l'une de leurs extrémités. Cette jonction appelée ‘soudure chaude’ est généralement placée en contact avec le milieu dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités placées dans un milieu maintenu à une température constante de référence sont à relier aux bornes d'un voltmètre qui mesure la force électromotrice liée à la différence entre la température de la soudure et celle de la référence. La jonction formée aux bornes du voltmètre porte parfois le nom usuel de ‘soudure froide’.
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Figure I-4. Schéma de montage d’un thermocouple
La tension mesurée par le voltmètre est fonction de la différence entre la température de la soudure chaude et celle de la soudure froide. Elle est calculée à partir de la relation suivante :
∆𝑉 = ∫𝑇𝑐 𝑆(𝜃)
𝑇𝑟𝑒𝑓 𝑑𝜃 (I-6)
∆𝑉 : Différence de potentielle thermoélectrique (V)
𝑇𝑐 : Température de la soudure chaude (température mesurée) (K)
𝑇𝑟𝑒𝑓 : Température de la soudure froide (température de référence) (K)
𝜃 : Unité différentielle S : coefficient Seebeck
Ainsi, à partir de la connaissance de l'évolution du coefficient Seebeck des métaux utilisés en fonction de la température, il est possible de déterminer la température à mesurer de la soudure chaude Tc, placée au contact du milieu à mesurer.
Principe des capteurs de contraintes
On peut diviser les capteurs de contraintes en deux catégories : ceux à l’échelle macro et ceux à l’échelle micro [18], [30], [31]. Concernant les macro-capteurs de contraintes, certaines configuration typiques d’appareillages sont représentés en figure I-5 [30]. Pour tous ces types de capteurs, la contrainte exercée est une fonction du déplacement du corps d’épreuve (diaphragme) et la contrainte peut être mesurée par une jauge de déformation placée sur ce dernier. Un grand nombre de ces dispositifs sont basés sur des diaphragmes simples ((a), (b), (d)) D’autres dispositifs ont été développés pour décupler l’ampleur de la déviation du diaphragme par la mise en place d’une capsule ou d’un soufflet ((c), (e)). Au lieu d’avoir des jauges de déformation montées directement sur le diaphragme, la jauge est montée dans ce cas sur un piston entrainé par le mouvement du diaphragme. Enfin, les tubes déviés ou allongés en présence d’une variation de pression (comme représenté en (f), (g)) peuvent permettre aussi de telles mesures.
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Figure I-5. Capteurs de pression macroscopiques : (a) diaphragme simple (b) diaphragme ondulée (c) capsule (d) capteur
capacitif (e) soufflet (f) tube de Bourdon (g) tube droit [30]
Concernant les micro-capteurs de contraintes [30], beaucoup d’entre eux sont des versions miniaturisés de leurs homologues macroscopiques [32]–[34]. La plupart des capteurs partagent sont basés sur l’utilisation d’un diaphragme déformable et la contrainte est déterminée à partir de la déflexion du diaphragme. La figure I-6 illustre un schéma en coupe d’un diaphragme typique de ce type de capteur de contrainte miniaturisé à l’échelle micro. La forme du diaphragme est arbitraire, mais il est généralement de forme carrée ou circulaire. Ces formes se comportent de façon similaire à une contrainte exercée.
Figure I-6: Schéma en coupe d’un micro-capteur typique de contraintes (les lignes pointillées représentent le diaphragme
non dévié) [30]
Compte tenu de la classification de ces capteurs de contrainte, les capteurs capacitifs et piézo-résistifs sont les deux principaux capteurs les plus communs pour les applications industrielles. Actuellement, beaucoup de capteurs optiques basés sur l’utilisation d’un diaphragme ont été présentés, certains fonctionnant avec un interféromètre Mach-Zehnder [35], [36] ou de Fabry-Perot [34], [37] pour la mesure du déplacement du diaphragme. Enfin, puisque la déviation du signal dérivé de ces capteurs varie linéairement avec la contrainte, ils permettent d’atteindre ainsi une très grande précision.
22
En résumé, diverses technologies sont largement éprouvées aujourd’hui aussi bien pour des mesures de température que pour celles des contraintes. La maturité de ces capteurs permet d’envisager l’utilisation de leurs concepts pour des développements nouveaux.
I.3. Capteurs et instrumentation en projection thermique : objectifs des capteurs thermiques et
de contraintes
I.3.1 Besoins de contrôler la température et les contraintes en projection thermique et le suivi en service des revêtements
D’un point de vue fonctionnel, la projection thermique [2] est un ensemble de procédés pour lesquels un matériau d’apport est chauffé et propulsé sous forme de particules individuelles ou gouttelettes sur la surface d’un substrat. Les particules frappent alors le substrat, s’aplatissent, sous forme de lamelles qui se conforment et adhèrent irrégulièrement au substrat. La multiplication de ces lamelles écrasées forme un revêtement de structure lamellaire et homogène avec un certain degré de porosité, d’oxydes ou d’imperfections selon la nature du matériau.
(1) Effets de la température sur la formation des lamelles
De nombreuses études ont vu le jour ces dernières années quant aux lamelles individuelles afin de mieux comprendre les différents mécanismes qui maîtrisent leur déformation et leur solidification. Il est considéré que la température du substrat joue un rôle important sur la morphologie de ces lamelles et ainsi les propriétés thermiques et mécaniques du revêtement [38]–[43]. Comme illustré figure I-7 [44], dans le cas de particules de zircone projetées sur un substrat d’acier, il apparaît que pour une température du substrat inférieure à 100 °C, des éclaboussures sont générées malgré la bonne fusion des particules. La surface efficace de contact est donc réduite en raison de la formation des pores à l’interface entre la lamelle et le substrat. Dans ce cas, la résistance
thermique de contact est d’environ comprise entre [45] 5 × 10−6 et 5 × 10−5 𝐾 ∙ 𝑚2/𝑊 , la vitesse du
refroidissement d’une particule écrasée est inférieure à 100 K/µs et l’adhésion est comprise entre [46] 10 et 25
MPa. Au contraire, si le substrat est préchauffé au-delà de 300 °C, la lamelle présente une forme régulière dont
la surface présente des microfissures (ces microfissures sont dues essentiellement au refroidissement rapide).
Dans ce cas, la résistance thermique de contact est d’environ [45] 10-7-10-8 𝐾 ∙ 𝑚2/𝑊 , la vitesse de
refroidissement peut être comprise entre [45] 500 K/µs et 1000 K/µs, ce qui signifie que le contact entre la lamelle et le substrat est parfait.
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(a) (b)
Figure I-7: Comparaison des morphologies de lamelles (zircone) élaborées sur un substrat d’acier avec les températures
différentes du substrat : (a) 100 °C ; (b) 300 °C [42]
En outre, la température des particules influence également la formation de ces lamelles et ainsi la
microstructure du revêtement [47]–[49]. Selon la figure I-8, lorsque la température de la particule Tp est
inférieure à sa température de fusion Tf, la particule rebondit élastiquement sur le substrat. Lorsque Tp prend une
valeur proche mais inférieure à Tf , la particule est partiellement fondue, la lamelle s’aplatit mais il subsiste une
quantité de matière non fondue au milieu de la lamelle. Lorsque Tp est supérieure à Tf, la particule est
entièrement fondue et la lamelle est déposée intégralement sur la surface du substrat. Enfin, lorsque Tp est
largement supérieure à Tf, la particule est complètement fondue mais des éclaboussures générées peuvent
conduire à la dégradation du dépôt.
Ainsi, fort de ces nombreuses particularités, la température est un des paramètres importants pour la qualité de la formation d’un revêtement qu’il est nécessaire de contrôler.
Figure I-8. Formation de lamelles à différentes températures de particules (Tp est la température de la particule à la
surface du substrat, Tf est la température de fusion de la particule) [50]
24
complexe. Concernant les matériaux céramiques, leur faible conductivité thermique ne traduit pas directement la température de surface de la particule en raison du gradient de température susceptible de se développer au sein de la particule [51]. La surface de la particule peut dans certains cas s’évaporer avant même que le cœur ne soit fondu. Dans le cas de matériaux métalliques, l’oxydation des particules peut subvenir au sein du jet dès lors que la projection s’opère en atmosphère oxydante. Ainsi, des contraintes de mesures de températures de surface peuvent se rajouter par variation des paramètres d’émissivité.
(2) Effets de la température sur la formation de contraintes résiduelles
Comme indiqué dans le paragraphe précédent, les températures du substrat et des particules influencent fortement la formation, la morphologie, la microstructure de la lamelle et ainsi les propriétés du revêtement. De plus un gradient de température s’établit au sein du système revêtement-substrat et peut générer des contraintes résiduelles [52]–[56]. La génération de contraintes résiduelles dans les dépôts a été largement analysée et se compose de deux catégories principales : la contrainte de trempe [57], [58] et la contrainte thermique [59].
La contrainte de trempe est générée pendant le processus de projection où les gouttelettes impactent la surface du substrat à haute vitesse et se refroidissent jusqu’à la température ambiante. Elle peut être calculée par l’expression simplifiée ci-dessous [44] :
𝜎𝑡= 𝐸𝑟∙ 𝛼𝑟∙ (𝑇𝑝− 𝑇𝑠) (I-9)
𝜎𝑡 : Contrainte de trempe (MPa)
𝐸𝑟 : Module d’Young (MPa)
𝛼𝑟 : Dilatation thermique du revêtement
𝑇𝑝 : Température de la particule écrasée (K)
𝑇𝑠 : Température du substrat (K)
Bien que les déformations induites par de tels mécanismes sont souvent élevées (parce que la température du substrat est généralement beaucoup plus faible que la température de fusion du revêtement, et les contraintes de trempe peuvent être de l’ordre du GPa après l’équation I-9), les valeurs réelles des contraintes de trempe restent relativement faibles [44], [60] (<10 MPa). La raison pour expliquer cette différence est que divers mécanismes de relaxation des contraintes peuvent apparaître durant le processus (Figure I-9) incluant la relaxation en bordure, la déformation plastique, le glissement inter-facial et la microfissure.
Selon la nature du matériau projeté, divers processus seront prédominant par rapport à d’autres. Un équilibre s’installe alors qui peut expliquer pourquoi la contrainte de trempe tend à diminuer même avec une température très élevée pendant la projection thermique. En outre, il a été confirmé expérimentalement que la nature du substrat a peu ou aucun effet sur la valeur de contrainte de trempe [44].
25
Figure I-9. Principaux modes de relaxation des contraintes dans une particule fondue [57]
Néanmoins, de par la diversité des matériaux mis en contact et leurs différences de comportement d’un point de vue dilatation thermique, un décalage peut apparaître entre les matières susceptibles de conduire à des contraintes thermiques pendant les processus de chauffage et de refroidissement. Ces contraintes thermiques peuvent être soit extensibles soit compressives par rapport au revêtement, et s’établissent en fonction du gradient de température. La contrainte thermique de dilatation peut être calculée par l’expression ci-dessous[44] :
𝛿𝑡ℎ= 𝐸𝑟∙ ∫ (𝛼𝑇𝑇0𝑡 𝑠(𝑇) − 𝛼𝑑(𝑇))𝑑𝑇 (I-10)
𝛿𝑡ℎ : Contrainte thermique (MPa)
𝐸𝑟 : Module d’Young (MPa)
𝑇0 : Température initiale (K)
𝑇𝑡 : Température réelle (K)
𝛼𝑠(𝑇) : Dilatation thermique du substrat en fonction du temps
𝛼𝑑(𝑇) : Dilatation thermique du revêtement en fonction du temps
La charge thermique change l’état de la contrainte tout au long de la durée de vie du revêtement. Pendant le chauffage, les contraintes peuvent être libérées par relaxation [61] sur les bordures du revêtement, par déformation plastique, glissement inter-facial et microfissurations. Par conséquent, les contraintes développées au cours de processus de chauffage sont considérées influencent la durée de vie du revêtement. En revanche, pendant le processus de refroidissement, la diffusion n’est plus favorable et d’autres mécanismes de relaxation tels que le décollement et la fissuration peuvent intervenir [59]. La fatigue thermique liée aux contraintes pendant le processus de chauffage ou de refroidissement influencent fortement la durée de vie du revêtement [62], [63].
En résumé, les revêtements traditionnels souffrent généralement d’une défaillance inattendue en raison de la spallation ou du décollement pendant le refroidissement du fait de contraintes résiduelles excessives générées à proximité de l’interface et d’une liaison limitée entre le revêtement et le substrat[61]. Les contraintes résiduelles ont donc un effet important sur les propriétés du revêtement [64]. En outre, la nature des contraintes
26
résiduelles influence significativement les propriétés des revêtements, telles que l’adhésion, la tenue thermique ou la résistance à l’érosion [52]. Enfin, toutes les contraintes générées pendant la projection thermique proviennent des gradients de température entre les différentes couches de nature différente [54]. Par conséquent, afin d’optimiser le choix des paramètres de projection pour améliorer la performance du revêtement, il est nécessaire de pouvoir évaluer les variations de contraintes résiduelles ainsi que les variations de température du système pendant le processus d’élaboration. La conception et la fabrication de capteurs in situ intégrés au dépôt constituent une issue importante pour réaliser cet objectif.
I.3.2 Processus d’élaboration des revêtements
La technologie de la projection thermique a vu le jour au début du 20eme siècle pour des applications de protection de surface contre l’érosion et l’usure, la corrosion, ou pour produire des barrières thermiques [2], [65]–[68]. Largement utilisée dans l’industrie en raison de sa fiabilité et de ses rendements élevés, elle permet aujourd’hui de mettre en œuvre une large gamme de matériaux (métaux, céramiques, matériaux organiques et composites) sur divers substrats de formes variées.
La projection thermique est un ensemble de processus dans lequel un matériau d’apport est chauffé et propulsé sous forme de particules individuelles ou de gouttelettes sur la surface du substrat. Le pistolet de projection thermique génère les conditions thermodynamiques nécessaires par combustion de gaz ou par la génération d’un arc électrique avec des géométries de buse adaptées. Lorsque les matériaux sont chauffés, ils peuvent atteindre un état fondu, semi-fondu voire simplement préchauffé et sont ensuite confinés et accélérés par un flux de gaz comprimé à la surface du substrat. Les particules frappent alors le substrat placé en vis à vis, s’aplatissent sous forme de lamelles minces qui se conforment et adhèrent irrégulièrement au substrat. Lorsque les particules de projection frappent la surface du substrat, elles se refroidissent et s’accumulent pour former la structure lamellaire du revêtement. Le revêtement qui est formé est homogène et contient généralement un certain degré de porosité ou d’oxydes (dans le cas de revêtements métalliques). Ces revêtements, de diverses natures, peuvent être élaborés à partir de poudres, de fils ou de baguettes. Leurs propriétés dépendent bien évidemment de la nature même du matériau projeté mais aussi de la technologie de projection thermique employée, les paramètres d’opération et l’après-traitement.
La figure I-10 présente une comparaison des températures et des vitesses susceptibles de pouvoir être atteintes avec les différents procédés de mise en œuvre de la projection thermique. Suivant le principe fondamental de génération du jet énergétique (arc électrique, combustion d’une flamme), différents niveaux peuvent être atteints pour les particules en vol variant de 500°C à presque 3500°C avec des vitesses de projection de 100 m/s jusqu’à des vitesses supersoniques telles que 1000 m/s pour le procédé de projection à froid. De fait, tous les matériaux peuvent ainsi être projetés suivant leurs propriétés thermiques inhérentes.
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Figure I-10: Comparaison de température et de vitesse entre les différents procédés thermique[69]
(HPPS: High Pressure particle Spray, HVOF: High Velocity Oxygen Flame, D-pistolet : detonation spray)
I.3.3 Analyses des différentes sources d’énergie atteignant la surface de l’échantillon durant projection thermique
L’analyse de l’origine des sources d’énergie en jeux dans le mécanisme d’élaboration du revêtement est une étape nécessaire pour la modélisation thermique des capteurs à fibre optique que nous envisageons dans ce travail de thèse produite au chapitre suivant. Compte tenu du type de la source enthalpique du processus d’élaboration choisi (plasma, flamme, flamme supersonique et arc-fil, cold-spray), de fortes variations de température peuvent être atteintes au sein des matériaux générant ainsi de forts flux de chaleur [70]–[72]. Le flux total qui atteint la surface de l’échantillon est la somme des énergies apportées par le rayonnement du jet et les matériaux (énergie thermique et cinétique). Un équilibre est atteint en réglant un dispositif de refroidissement par convection forcée fonctionnant jet d’air froid obtenu par détente d’air comprimé.
Le rayonnement de la source enthalpique utilisée pour le procédé de projection dépend principalement des phénomènes inhérents à chaque procédé utilisé. Par projection plasma (Atmospheric Plasma Spraying, APS), la contribution du flux de chaleur provient d’un jet de gaz plasmagènes ionisés dont la distribution du flux thermique se décrit sous la forme d’une gaussienne [71], [73] et est caractérisée par la valeur maximale du flux de chaleur et son rayon de dispersion caractéristique. Les résultats numériques ont été ajustés en utilisant une fonction qui offre une assez bonne approximation du profil de flux, comme représenté ci-dessous :
∅ ( 𝑟 ) = ∅0
1+(𝑟
𝑅0)2
(I-11)
∅0 : Valeur maximale du flux de chaleur dans l’axe du jet (𝑊/𝑚2)
𝑅0 : Rayon de la dispersion caractéristique (m)
r : distance de l’axe du jet (m)
Concernant la projection à la flamme, la contribution du flux de chaleur provenant de la combustion d’une flamme est encore peu rapportée dans la littérature. Le principe et le mécanisme inhérents à ce procédé mériteraient des investigations nouvelles.
